Choisir La Solution Motorisée Adaptée Aux Dispositifs D'administration De Biomédicaments

Choisir La Solution Motorisée Adaptée Aux Dispositifs D'administration De Biomédicaments

PRÉSENTATION

Par définition, les biomédicaments sont des médicaments composés de protéines et/ou de dérivés qui modulent le système immunitaire, régulent à la baisse la réponse inflammatoire ou soutiennent la défense spécifique aux tumeurs. Un médicament type est fabriqué par synthèse chimique, ce qui signifie qu'il est obtenu en combinant des ingrédients chimiques spécifiques dans un processus ordonné. À l'inverse, un biomédicament est fabriqué à partir d'un organisme vivant, dans un système vivant (tel qu'un micro-organisme) à l'aide de la biotechnologie et agit en modifiant la façon dont le système immunitaire humain réagit. 

Les biomédicaments, qui comprennent les anticorps, les interleukines et les vaccins, sont utilisés pour le traitement de nombreuses maladies et constituent les thérapies les plus avancées disponibles. Les biomédicaments ont révolutionné les traitements contre le cancer, retardé ou inversé l'évolution de maladies immunitaires, changé la vie de personnes atteintes de maladies rares et donné de l'espoir à de nombreux patients qui n'avaient auparavant aucune option de traitement efficace.

Les biomédicaments sont plus complexes et ont un poids moléculaire beaucoup plus élevé que les médicaments chimiques traditionnels, à petites molécules, et sont donc très visqueux. Cette complexité accroît les coûts, les défis et les risques liés au développement et à la fabrication. Le profil d'injection est essentiel à 
la bonne administration du médicament, et le mécanisme d'administration joue donc 
un rôle clé. Le mécanisme d'administration est actionné par une solution motorisée, ce qui en fait le facteur déterminant dans le développement du dispositif.

Avant d'explorer les solutions pour les dispositifs d'injection, il est pertinent d'examiner comment et où les médicaments sont injectés. Commençons par les 3 méthodes utilisées pour administrer un médicament dans le corps d'un patient (figure 2) :

Intraveineuse - L'intraveineuse (abrégée en thérapie IV) est une technique médicale qui consiste à administrer le médicament directement dans la veine du patient. Ce mode d'administration présente des limites, car les biomédicaments à haute viscosité représentent un défi.
Sous-cutané  - Le tissu sous-cutané se situe entre la couche de graisse, juste sous la peau, et le sommet des muscles. Il possède peu de vaisseaux sanguins, de sorte que les médicaments qui y sont injectés sont destinés à une absorption lente et durable. Ils sont absorbés plus lentement que les injections intramusculaires.
Intramusculaire - Les injections intramusculaires sont préférables, car les muscles ont des vaisseaux sanguins plus grands et plus nombreux que les tissus sous-cutanés, ce qui entraîne une absorption plus rapide du médicament.

Sur la base des méthodes ci-dessus, il existe trois principaux types de dispositifs utilisés pour injecter le médicament (figures 3 et 4) :

Jetable: comme son nom l'indique, il s'agit d'un dispositif à usage unique. Il est conçu pour une application médicamenteuse spécifique. Le délai d'administration d'un médicament peut aller de quelques secondes à quelques jours, ce qui nécessite une solution optimisée en termes de coûts. Les injecteurs mécaniques et les pompes patch jetables
en sont quelques exemples. Les pompes patch sont portées directement sur le corps et comportent un réservoir, un mécanisme de pompage et un dispositif de perfusion à l'intérieur d'un petit boîtier.
Utilisation limitée: une solution motorisée peut être utilisée pour permettre l'utilisation de plusieurs cartouches de biomédicaments au cours d'une thérapie. Cette méthode offre l'avantage d'avoir des unités de médicament et de pompe séparées, l'unité de médicament étant jetable et l'unité de pompe étant réutilisable.
Pompe réutilisable: ces dispositifs sont plus robustes, plus résistants et plus durables. Ils sont conçus pour prendre en charge des médicaments de différentes viscosités en tant que plateforme, ce qui offre un plus large éventail de thérapies.

EXIGENCES TECHNIQUES POUR LA SOLUTION MOTORISÉE DES DISPOSITIFS D'INJECTION

Tableau 1. Principaux paramètres de performance pour différents dispositifs pour biomédicaments 

Les pompes biologiques réutilisables sont très exigeantes en termes de motorisation. Ces types de dispositifs requièrent une force axiale élevée pouvant atteindre et dépasser 100 N. Cette force linéaire est nécessaire en raison de la viscosité plus élevée des biomédicaments ; en cas de prise en charge de différents biomédicaments en tant que plate-forme, la pompe doit être capable de délivrer le médicament de viscosité maximale tout en délivrant avec précision les plages de viscosité inférieure. Ces dispositifs étant portatifs, leur taille et leur poids sont des paramètres critiques. Une solution motorisée de dispositif pour biomédicament de qualité supérieure présente généralement un diamètre extérieur de 10 à 12 mm.

Outre la force et la taille, une pompe réutilisable doit être robuste et fiable. Les garanties des produits peuvent être de l'ordre de 2 à 5 ans, ce qui exige que la motorisation soit correctement dimensionnée pour fournir la même précision du premier au dernier jour de la vie de la pompe. Pour la solution de mouvement, le concepteur confirme un facteur de confiance >90 % pour garantir l'obtention de la durée de vie requise. 

Additional factors in the motion solution selection are feedback, repeatability, and storage conditions. An encoder will confirm the motion solution has provided the needed drug delivery, ensuring the therapy is successful. It will also ensure every delivery increment is met each time. The biologics can have different requirements for storage, with some needing cold storage. This reflects back to the motor and gearhead capability to withstand lower temperatures and humidity over periods of time.

Les facteurs supplémentaires dans le choix de la solution motorisée sont retour d'information, la répétabilité et les conditions de stockage. Un codeur confirmera que l'assemblage a permis l'administration du médicament nécessaire, garantissant ainsi le succès de la thérapie. Il permettra également de s'assurer que chaque incrément d'administration est respecté à chaque fois. Les biomédicaments peuvent avoir des exigences différentes en matière de stockage, certains devant être stockés au froid. Cela se répercute sur la capacité du moteur et du réducteur à résister à des températures et à une humidité inférieures pendant des périodes prolongées.

Les moteurs à courant continu sans balais ou à balais sans fer (avec des commutateurs en métal précieux) sont les mieux adaptés à ces types de dispositifs. Un réducteur à engrenages droits ou un réducteur personnalisé offre une grande densité de couple/force dans la plus petite taille disponible. 

Les dispositifs pour biomédicament à usage limité sont une nouvelle tendance observée dans l'industrie pharmaceutique. Contrairement à un dispositif à long terme, l'appareil à usage limité offre une flexibilité en termes de performances et de durée de vie par rapport au prix de la pompe. Ces dispositifs sont généralement conçus pour un seul biomédicament ou pour une gamme limitée de médicaments ; par conséquent, les exigences en matière de force et de taille pour les solutions de mouvement peuvent être différentes de celles des dispositifs réutilisables. 

Une solution de mouvement qui peut répondre à une plage de forces de 50 N à 80 N est généralement suffisante. Ces dispositifs étant alimentés par batterie, l'efficacité joue un rôle essentiel dans la conception de la pompe. Les moteurs à courant continu à balais sans fer avec des commutateurs en métal précieux sont bien adaptés pour répondre à ces exigences de durée de vie plus élevée des batteries, en offrant une densité de puissance et une fiabilité élevées. Un réducteur composé d'engrenages droits ou pouvant être personnalisé constituent des solutions optimales pour les applications de biomédicament à usage limité. 

Les dispositifs pour biomédicaments jetables sont des applications à usage unique. Avec l'avancée de la recherche et du développement dans les technologies des dispositifs médicaux, il est essentiel de disposer d'une correspondance adéquate 
avec les technologies des moteurs. Ces dispositifs sont liés à un médicament spécifique, de sorte qu'une solution optimisée est essentielle pour ces dispositifs à fort volume.

De nombreuses solutions de mouvement peuvent convenir à cette application. Les technologies de moteurs les plus adaptées sont les moteurs pas-à-pas Can Stack et les moteurs à courant continu à balais, mais d'autres technologies d'actionneurs peuvent également être utilisées. Les moteurs Can Stack ou à courant continu à balais offrent une technologie mature qui présente des avantages par rapport à certains actionneurs non conventionnels qui nécessitent une électronique de commande complexe pour fonctionner. 

Le cycle de fonctionnement pour une telle application est limité et va de quelques secondes à quelques heures seulement. En fonction des exigences de l'application, une solution de mouvement fiable et optimisée en termes de coûts convient parfaitement à ces dispositifs.

DÉFIS ACTUELS DES SYSTÈMES D'ADMINISTRATION DE BIOMÉDICAMENTS

e nos jours, les formulations de médicaments nouveaux et innovants atteignent des sommets. Par rapport à l'administration 
de médicaments par voie intraveineuse, les biomédicaments sont injectés par voie sous-cutanée ou intramusculaire. Les biomédicaments récents sont des médicaments complexes dont le poids moléculaire peut atteindre jusqu'à 150 000 Da (Daltons). Ce poids moléculaire est assez élevé par rapport à celui de certains médicaments synthétisés (de l'ordre de quelques milliers de Da). Il en résulte une plus grande viscosité, ce qui constitue un défi pour la conception du dispositif.

Tableau 2. Technologie et principaux paramètres de performance des solutions de mouvement pour différents dispositifs pour biomédicaments

À l'instar des biomédicaments, les dispositifs d'administration pour biomédicaments sont relativement nouveaux sur le marché et s'améliorent constamment. Le scénario actuel présente certains défis pour ces appareils :

Capacité à traiter des médicaments de plus grande viscosité
Administration d'un grand volume de médicament
Adistributions plus précises
Solution optimisée en termes de coûts pour une population plus large

Certains de ces défis peuvent être appuyés et relevés par des solutions de mouvement, qui sont illustrées dans le tableau 2 :

Densités de puissance plus élevées des moteurs avec et sans balais, ainsi que des réducteurs à rapport de réduction plus élevé pour prendre en charge des médicaments visqueux plus importants (> 50 Cp)
La densité de puissance permet de traiter des volumes de médicaments plus importants dans un format plus petit (10 ml à 50 ml)
La technologie des codeurs absolus peut aider à surveiller avec précision l'administration de médicaments (résolution de 3 à 5 µm)
Des moteurs et des réducteurs fiables offrant une longue durée de vie pour des thérapies à domicile en toute sécurité

SOLUTIONS MOTORISÉES POUR LES DISPOSITIFS D'ADMINISTRATION DE BIOMÉDICAMENTS

Comme nous l'avons mentionné, la solution pour le mécanisme d'administration est la partie cruciale de la conception du dispositif. L'ingénieur concepteur dispose de plusieurs options en matière de technologies de moteurs et de réducteurs, ce qui rend le choix initial quelque peu déconcertant. Pour l'aider dans cette tâche, nous allons détailler les principaux paramètres de performance et examiner comment les différentes technologies répondent à ces paramètres.

Couple / Puissance – Toutes les technologies permettent de produire un couple, mais leur conception interne offre des capacités de sortie différentes. Les conceptions BLDC à encoches fournissent un couple de sortie plus élevé que les BLDC sans encoches, en raison de la plus grande quantité de cuivre et d'aimants dans le moteur. En ce qui concerne les moteurs pas-à-pas, les modèles hybrides fournissent le couple maximal.

Vitesse – Le médicament dicte la durée et le débit du traitement, ce qui permet de régler la vitesse du dispositif. Les exigences en matière de vitesse élevée peuvent être satisfaites par des moteurs à courant continu sans balais et des moteurs pas-à-pas 
à aimant disque, celles en matière de vitesse moyenne par des moteurs à courant continu à balais et finalement pour la vitesse inférieure, par des moteurs pas-à-pas. L'ajout d'un réducteur pour augmenter le couple de sortie doit être envisagé, car cela augmente les exigences de vitesse sur le moteur par le rapport correspondant.

Efficacité – Ces dispositifs fonctionnant sur batterie, l'efficacité est essentielle pour maintenir la taille de la batterie aussi réduite que possible. Les moteurs à courant continu à balais sans fer et ceux sans balais et sans encoches sont les meilleurs choix en matière d'efficacité en raison de la conception de leur rotor.

Fiabilité – Le dispositif aura une durée de vie spécifique en fonction du nombre de thérapies à administrer au patient. Les principaux facteurs technologiques qui influent sur la durée de vie du moteur sont les systèmes de commutation et de roulement. Les moteurs à courant continu à balais ont une commutation mécanique, ce qui signifie que leur durée de vie est dictée par l'usure des balais. Les moteurs à courant continu sans balais et les moteurs pas-à-pas ont une commutation électrique, ce 
qui permet de prolonger leur durée de vie. Les roulements sont un facteur supplémentaire pour la durée de vie du moteur, les roulements à billes offrant une durée de vie plus longue que les paliers lisses. Les technologies de moteurs proposent les deux versions de roulements, certaines les fournissant de série et d'autres nécessitant une personnalisation.

Poids – Ces dispositifs étant portatifs, le poids du moteur est un facteur important pour le confort du patient. Les moteurs à courant continu à balais sans fer offrent donc la meilleure option.

Coût – Chaque technologie a un profil de coût basé sur sa conception. Le dispositif et la thérapie qui l'accompagne devront avoir un profil de coût pour être acceptés par le marché. Il est donc essentiel de comprendre les facteurs de coût de chaque technologie.

Tableau 3. Comparaison des principaux paramètres de performance pour différentes technologies de mouvement

Ce tableau présente une comparaison des différentes technologies de moteurs, mettant en évidence leurs points forts pour différents paramètres. Ces lignes directrices constituent une référence pour l'ingénieur concepteur qui cherche à créer un nouveau dispositif d'administration de médicaments. L'établissement d'un contact avec un fournisseur de solutions motorisées est la première étape clé du développement.

RÉCAPITULATIF

De plus en plus de biomédicaments sont mis au point, et nombre d'entre eux sont en passe d'être commercialisés. Pour obtenir le meilleur dispositif, il est prudent d'avoir une collaboration entre le développeur du dispositif et le fournisseur de moteurs. Des difficultés spécifiques seront rencontrées pour chaque dispositif en fonction des exigences de la thérapie par biomédicament, de sorte qu'un engagement précoce avec un fournisseur permettra d'utiliser la technologie de moteur adéquate associée aux accessoires appropriés pour une solution optimale. 

CONTACTER UN INGÉNIEUR

Figure 1. Molécules médicamenteuses pour les biomédicaments (à gauche) et les médicaments traditionnels (à droite)
Figure 2. Méthodes et dispositifs d'injection de biomédicaments
Figure 3. Détails du dispositif d'injection de médicaments à usage unique (à gauche) et à usage limité (à droite)
Figure 4. Aperçu des dispositifs d'injection de médicaments réutilisables