میکروساخت و مشخصه‌یابی آرایه‌های ریزسوزن پلیمری برپایه‌ی پلی‌وینیل ‌الکل به‌منظور رهایش کورکومین

کوهی کار, علیرضا; مهدی نواز اقدم, روح الله

doi:10.30501/jamt.2025.523415.1331

میکروساخت و مشخصه‌یابی آرایه‌های ریزسوزن پلیمری برپایه‌ی پلی‌وینیل ‌الکل به‌منظور رهایش کورکومین

نوع مقاله : مقاله کامل پژوهشی

نویسندگان

علیرضا کوهی کار ¹

روح الله مهدی نواز اقدم ²

¹ دانشجوی کارشناسی ارشد، دانشکده‌ی مهندسی مواد و متالورژی، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران، ایران

² دانشیار، دانشکده‌ی مهندسی متالورژی و مواد، دانشکدگان فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

10.30501/jamt.2025.523415.1331

چکیده

در این پژوهش، آرایه‌های ریزسوزن حل‌شونده برپایه‌ی پلی‌وینیل ‌الکل (PVA) به‌منظور رهایش کنترل‌شده‌ی داروی کورکومین از ریزسوزن‌های Cur@MN به لایه‌های پوستی طراحی، ساخته و ارزیابی شدند. ابتدا آزمون FTIR حضور داروی کورکومین در زمینه‌ی پلی‌وینیل ‌الکل را به‌دلیل حضور سه پیک، که مشخصه‌ی اصلی کورکومین هستند، در طول موج‌های cm-1 1510، cm-1 1510 و cm-1 1603 ثابت کرد. سپس، آنالیزهای میکروسکوپی نوری و الکترونی (SEM) نشان دادند که نمونه‌ها دارای هندسه‌ی منظم و نوک‌هایی تیز با قطر کمتر از ۱۵ میکرومتر هستند. پس از نفوذ موفق ریزسوزن‌ها در پنج لایه‌ی پارافیلم، استحکام فشاری آن‌ها برای نفوذ در پوست تأیید شد. آزمون‌های تخریب و رهایش دارو در محیط (PBS، 7/4pH=) انجام شد. نتایج رهایش دارو بیانگر رهایشی انفجاری طی ۱۲ ساعت اولیه (با آزادسازی 60/31 درصد کورکومین) و رهایش تدریجی تا ۷۲ ساعت (با مجموع آزادسازی 82/5 درصد) بودند. آزمون تخریب نیز نشان داد که نمونه‌های حاوی کورکومین در مقایسه با نمونه‌های فاقد آن سریع‌تر تخریب می‌شوند. آزمون آنتی‌اکسیدانی DPPH نیز فعالیت آنتی‌اکسیدانی قابل‌توجه نمونه‌ی Cur@MN را به‌ویژه در غلظت‌های بالا تأیید کرد. یافته‌های این تحقیق نشان می‌دهد که ریزسوزن‌های Cur@MN می‌توانند به‌عنوان سامانه‌ای مؤثر و زیست‌سازگار برای رهایش پوستی داروهای طبیعی مانند کورکومین استفاده شوند.

کلیدواژه‌ها

میکروساخت

دارورسانی

ریزسوزن

کورکومین

آنتی‌اکسیدان

موضوعات

بیومواد

عنوان مقاله English

Microfabrication and Characterization of PVA-Based Microneedle Arrays for Curcumin Delivery

نویسندگان English

Alireza Koohikar ¹

Rouhollah Mehdinavaz Aghdam ²

¹ MSc Student, School of Materials and Metallurgical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Tehran, Iran.

² Associate Professor, School of Metallurgy and Materials Engineering, College of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran.

چکیده English

In this study, dissolvable microneedle (MN) arrays based on polyvinyl alcohol (PVA) were designed, fabricated, and evaluated for the controlled transdermal delivery of curcumin (Cur@MN). Fourier-Transform Infrared Spectroscopy (FTIR) confirmed the incorporation of curcumin within the PVA matrix, as evidenced by the presence of three characteristic peaks at 1510 cm⁻¹, 1603 cm⁻¹, and 1628 cm⁻¹. Optical and scanning electron microscopy revealed uniformly arranged, conical microneedles with sharp tips (<15 µm). Mechanical testing demonstrated successful penetration of five layers of Parafilm, indicating sufficient insertion strength for transdermal application. Drug release and degradation studies were conducted in phosphate-buffered saline (PBS, pH 7.4). The release profile exhibited an initial burst (60.31% within 12 hours), followed by sustained release up to 72 hours, reaching a cumulative release of 82.5%. Degradation tests showed faster structural breakdown in curcumin-loaded microneedles compared to unloaded ones. Furthermore, DPPH radical scavenging assays confirmed the significant antioxidant activity of Cur@MN, particularly at higher concentrations. These findings suggest that Cur@MN microneedles offer a promising, biocompatible platform for the transdermal delivery of natural therapeutics such as curcumin.

کلیدواژه‌ها English

Microfabrication

Drug Delivery

Microneedles

Curcumin

Antioxidant

1. Anjani, Q. K., Nainggolan, A. D. C., Li, H., Miatmoko, A., Larrañeta, E., & Donnelly, R. F. (2024). Parafilm® M and Strat-M® as skin simulants in in vitro permeation of dissolving microarray patches loaded with proteins. International Journal of Pharmaceutics, 655, 124071. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2024.124071

2. Borhan, S., Badr-Mohammadi, M. R., Hesaraki, S., & Esmaeilzadeh, J. (2021). Fabrication and Preliminary Characterization of Tissue Engineering Scaffolds Based on Alumina/Bioactive Glass. Advanced Ceramics Progress, 7(4), 10–19. https://doi.org/10.30501/acp.2022.323414.1079

3. Cao, W., Xia, D., Zhou, L., Liu, Y., Wang, D., Liang, C., & Chen, M. (2024). Antibacterial and antioxidant wound dressings with pH responsive release properties accelerate chronic wound healing. Materials Today Physics, 40, 101316. https:/doi.org/10.1016/j.mtphys.2023.101316

4. Chen, K., Pan, H., Ji, D., Li, Y., Duan, H., & Pan, W. (2021). Curcumin-loaded sandwich-like nanofibrous membrane prepared by electrospinning technology as wound dressing for accelerate wound healing. Materials Science and Engineering: C, 127, 112245. https:/doi.org/10.1016/j.msec.2021.112245

5. Chittasupho, C., Manthaisong, A., Okonogi, S., Tadtong, S., & Samee, W. (2021). Effects of quercetin and curcumin combination on antibacterial, antioxidant, in vitro wound healing and migration of human dermal fibroblast cells. International journal of molecular sciences, 23(1), 142. https://doi.org/10.3390/ijms23010142

6. Davidson, A., Al-Qallaf, B., & Das, D. B. (2008). Transdermal drug delivery by coated microneedles: Geometry effects on effective skin thickness and drug permeability. Chemical Engineering Research and Design, 86(11), 1196–1206. https:/doi.org/10.1016/j.cherd.2008.06.002

7. Dizaj, S. M., Kouhsoltani, M., Pourreza, K., Sharifi, S., & Abdolahinia, E. D. (2024). Preparation, Characterization, and Evaluation of the Anticancer Effect of Mesoporous Silica Nanoparticles Containing Rutin and Curcumin. Pharmaceutical Nanotechnology, 12(3), 269–275. https://doi.org/10.2174/2211738511666230818092706

8. Donnelly, R. F., Garland, M. J., Morrow, D. I. J., Migalska, K., Singh, T. R. R., Majithiya, R., & Woolfson, A. D. (2010). Optical coherence tomography is a valuable tool in the study of the effects of microneedle geometry on skin penetration characteristics and in-skin dissolution. Journal of Controlled Release, 147(3), 333–341. https:/doi.org/10.1016/j.jconrel.2010.08.008

9. Ebadi, T., Najafpour, G. D., Kazemi, S., & Hosseini, S. M. (2025). Development and In-vitro Evaluation of a Natural Polysaccharide Hydrogel for Curcumin Delivery. International Journal of Engineering, 38(5), 976–985. https://doi.org/10.5829/ije.2025.38.05b.02

10. Guo, W., Yang, M., Liu, S., Zhang, X., Zhang, B., & Chen, Y. (2021). Chitosan/polyvinyl alcohol/tannic acid multiple network composite hydrogel: preparation and characterization. Iranian Polymer Journal, 30(11), 1159–1168. https://doi.org/10.1007/s13726-021-00966-1

11. Jamaledin, R., Makvandi, P., Yiu, C. K. Y., Agarwal, T., Vecchione, R., Sun, W., Maiti, T. K., Tay, F. R., & Netti, P. A. (2020). Engineered Microneedle Patches for Controlled Release of Active Compounds: Recent Advances in Release Profile Tuning. Advanced Therapeutics, 3(12), 2000171. https://doi.org/10.1002/adtp.202000171

12. Larrañeta, E., Moore, J., Vicente-Pérez, E. M., González-Vázquez, P., Lutton, R., Woolfson, A. D., & Donnelly, R. F. (2014). A proposed model membrane and test method for microneedle insertion studies. International Journal of Pharmaceutics, 472(1), 65–73. https://doi.org/10.1016/j.ijpharm.2014.05.042

13. Li, X., Xiao, X., Zhang, Y., Long, R., Kankala, R. K., Wang, S., & Liu, Y. (2024). Microneedles based on hyaluronic acid-polyvinyl alcohol with antibacterial, anti-inflammatory, and antioxidant effects promote diabetic wound healing. International Journal of Biological Macromolecules, 282, 137185. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2024.137185

14. Mangang, K. N., Pragati, T., Jitu, H., Singh, Y. K., Goutam, G., Deepak, P., Goutam, R., & and Rai, V. K. (2023). PVP-microneedle array for drug delivery: mechanical insight, biodegradation, and recent advances. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, 34(7), 986–1017. https://doi.org/10.1080/09205063.2022.2155778

15. Mao, S., Zeng, Y., Ren, Y., Ye, X., & Tian, J. (2025). Modification of physicochemical, antioxidant, and antibacterial properties of chitosan film with curcumin-loaded TA/Fe nanoparticles. Food Hydrocolloids, 160, 110722. https://doi.org/10.1016/j.foodhyd.2024.110722

16. McGuckin, M. B., Hutton, A. R. J., Davis, E. R., Sabri, A. H. B., Ripolin, A., Himawan, A., Naser, Y. A., Ghanma, R., Greer, B., McCarthy, H. O., Paredes, A. J., Larrañeta, E., & Donnelly, R. F. (2024). Transdermal Delivery of Pramipexole Using Microneedle Technology for the Potential Treatment of Parkinson’s Disease. Molecular Pharmaceutics, 21(5), 2512–2533. https://doi.org/10.1021/acs.molpharmaceut.4c00065

17. Paswan, M., Singh Chandel, A. K., Malek, N. I., & Dholakiya, B. Z. (2024). Preparation of sodium alginate/Cur-PLA hydrogel beads for curcumin encapsulation. International Journal of Biological Macromolecules, 254, 128005. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2023.128005

18. Prausnitz, M. R. (2004). Microneedles for transdermal drug delivery. Advanced Drug Delivery Reviews, 56(5), 581–587. https://doi.org/10.1016/j.addr.2003.10.023

19. Prausnitz, M. R., & Langer, R. (2008). Transdermal drug delivery. Nature Biotechnology, 26(11), 1261–1268. https://doi.org/10.1038/nbt.1504

20. Quelé, L. N. d. S., de Matos, M., de Lima, G. G., Brugnari, T., Ribeiro, C. S. P., Pedro, A. C., Gonzalez de Cademartori, P. H., & Magalhães, W. L. E. (2025). Antimicrobial and Antioxidant Properties of Photodegraded Amorphous Curcumin on Silica Nanoparticles. ACS Applied Nano Materials, 8(9), 4384–4396. https://doi.org/10.1021/acsanm.4c05159

21. Sabbagh, F., & Kim, B. S. (2023). Ex Vivo Transdermal Delivery of Nicotinamide Mononucleotide Using Polyvinyl Alcohol Microneedles. Polymers, 15(9), 2031. https://doi.org/10.3390/polym15092031

22. Singh, P., Carrier, A., Chen, Y., Lin, S., Wang, J., Cui, S., & Zhang, X. (2019). Polymeric microneedles for controlled transdermal drug delivery. Journal of Controlled Release, 315, 97–113. https://doi.org/10.1016/j.jconrel.2019.10.022

23. Valencia, M. S., Silva Júnior, M. F. d., Xavier-Júnior, F. H., Veras, B. d. O., Albuquerque, P. B. S. d., Borba, E. F. d. O., Silva, T. G. d., Xavier, V. L., Souza, M. P. d., & Carneiro-da-Cunha, M. d. G. (2021). Characterization of curcumin-loaded lecithin-chitosan bioactive nanoparticles. Carbohydrate Polymer Technologies and Applications, 2, 100119. https://doi.org/10.1016/j.carpta.2021.100119

24. Waghule, T., Singhvi, G., Dubey, S. K., Pandey, M. M., Gupta, G., Singh, M., & Dua, K. (2019). Microneedles: A smart approach and increasing potential for transdermal drug delivery system. Biomedicine & Pharmacotherapy, 109, 1249–1258. https://doi.org/10.1016/j.biopha.2018.10.078

25. Xiao, M., Zifeng, W., Yanru, A., Yingqi, D., Xinghao, W., & and Zhu, Z. (2024). Fabrication and mechanical modelling of dissolvable PVA/PVP composite microneedles with biocompatibility for efficient transdermal delivery of ibuprofen. Journal of Biomaterials Science, Polymer Edition, 35(9), 1439–1454. https://doi.org/10.1080/09205063.2024.2333627

26. Xu, Z., Han, S., Gu, Z., & Wu, J. (2020). Advances and impact of antioxidant hydrogel in chronic wound healing. Advanced Healthcare Materials, 9(5), 1901502. https://doi.org/10.1002/adhm.201901502

27. Yang, Y., Wang, P., Gong, Y., Yu, Z., Gan, Y., Li, P., Liu, W., & Wang, X. (2023). Curcumin-zinc framework encapsulated microneedle patch for promoting hair growth. Theranostics, 13(11), 3675–3688. https://doi.org/10.7150/thno.84118

28. Zhuo, Y., Wang, F., Lv, Q., & Fang, C. (2025). Dissolving microneedles: Drug delivery and disease treatment. Colloids and Surfaces B: Biointerfaces, 250, 114571. https://doi.org/10.1016/j.colsurfb.2025.114571