For two series of polyethylenimine-graft-poly(ethylene glycol) (PEI-g-PEG) block copolymers, the influence of copolymer structure on DNA complexation was investigated and physicochemical properties of these complexes were compared with the results of blood compatibility, cytotoxicity, and transfection activity assays. In the first series, PEI (25 kDa) was grafted to different degrees of substitution with PEG (5 kDa) and in the second series the molecular weight (MW) of PEG was varied (550 Da to 20 kDa). Using atomic force microscopy, we found that the copolymer block structure strongly influenced the DNA complex size and morphology: PEG 5 kDa significantly reduced the diameter of the spherical complexes from 142 ± 59 to 61 ± 28 nm. With increasing degree of PEG grafting, complexation of DNA was impeded and complexes lost their spherical shape. Copolymers with PEG 20 kDa yielded small, compact complexes with DNA (51 ± 23 nm) whereas copolymers with PEG 550 Da resulted in large and diffuse structures (130 ± 60 nm). The ζ-potential of complexes was reduced with increasing degree of PEG grafting if MW ≥ 5 kDa. PEG 550 Da did not shield positive charges of PEI sufficiently leading to hemolysis and erythrocyte aggregation. Cytotoxicity (lactate dehydrogenase assay) was independent of MW of PEG but affected by the degree of PEG substitution: all copolymers with more than six PEG blocks formed DNA complexes of low toxicity. Finally, transfection efficiency of the complexes was studied. The combination of large particles, low toxicity, and high positive surface charge as in the case of copolymers with many PEG 550 Da blocks proved to be most efficient for in vitro gene transfer. To conclude, the degree of PEGylation and the MW of PEG were found to strongly influence DNA condensation of PEI and therefore also affect the biological activity of the PEI-g-PEG/DNA complexes. These results provide a basis for the rational design of block copolymer gene delivery systems.

We have used three dimensional (3D) extrusion printing to manufacture a multi-active solid dosage form or so called polypill. This contains five compartmentalised drugs with two independently controlled and well-defined release profiles. This polypill demonstrates that complex medication regimes can be combined in a single personalised tablet. This could potentially improve adherence for those patients currently taking many separate tablets and also allow ready tailoring of a particular drug combination/drug release for the needs of an individual. The polypill here represents a cardiovascular treatment regime with the incorporation of an immediate release compartment with aspirin and hydrochlorothiazide and three sustained release compartments containing pravastatin, atenolol, and ramipril. X-ray powder diffraction (XRPD) and Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) were used to assess drug-excipient interaction. The printed polypills were evaluated for drug release using USP dissolution testing. We found that the polypill showed the intended immediate and sustained release profiles based upon the active/excipient ratio used.

Three dimensional (3D) printing was used as a novel medicine formulation technique for production of viable tablets capable of satisfying regulatory tests and matching the release of standard commercial tablets. Hydroxypropyl methylcellulose (HPMC 2208) (Methocel™ K100M Premium) and poly(acrylic acid) (PAA) (Carbopol® 974P NF) were used as a hydrophilic matrix for a sustained release (SR) layer. Hypromellose® (HPMC 2910) was used as a binder while microcrystalline cellulose (MCC) (Pharmacel® 102) and sodium starch glycolate (SSG) (Primojel®) were used as disintegrants for an immediate release (IR) layer. Commercial guaifenesin bi-layer tablets (GBT) were used as a model drug (Mucinex®) for this study. There was a favourable comparison of release of the active guaifenesin from the printed hydrophilic matrix compared with the commercially available GBT. The printed formulations were also evaluated for physical and mechanical properties such as weight variation, friability, hardness and thickness as a comparison to the commercial tablet and were within acceptable range as defined by the international standards stated in the United States Pharmacopoeia (USP). All formulations (standard tablets and 3D printed tablets) showed Korsmeyer-Peppas n values between 0.27 and 0.44 which indicates Fickian diffusion drug release through a hydrated HPMC gel layer.

Embryonic stem cells (ESC) are both a potential source of cells for tissue replacement therapies and an accessible tool to model early embryonic development. Chemical factors such as soluble growth factors and insoluble components of the extracellular matrix are known to affect the differentiation of murine ESCs. However, there is also evidence to suggest that undifferentiated cells can both sense the mechanical properties of their environment and differentiate accordingly. By growing ESCs on flexible polydimethylsiloxane substrates with varying stiffness, we tested the hypothesis that substrate stiffness can influence ESC differentiation. While cell attachment was unaffected by the stiffness of the growth substrate, cell spreading and cell growth were all increased as a function of substrate stiffness. Similarly, several genes expressed in the primitive streak during gastrulation and implicated in early mesendoderm differentiation, such as Brachyury, Mixl1 and Eomes, were upregulated in cell cultures on stiffer compared to softer substrates. Finally, we demonstrated that osteogenic differentiation of ESCs was enhanced on stiff substrates compared to soft substrates, illustrating that the mechanical environment can play a role in both early and terminal ESC differentiation. Our results suggest a fundamental role for mechanosensing in mammalian development and illustrate that the mechanical environment should be taken into consideration when engineering implantable scaffolds or when producing therapeutically relevant cell populations in vitro.

The scientific community needs a rapid and reliable way of accurately determining the stiffness of atomic-force microscopy cantilevers. We have compared the experimentally determined values of stiffness for ten cantilever probes using four different methods. For rectangular silicon cantilever beams of well defined geometry, the approaches all yield values within 17% of the manufacturer's nominal stiffness. One of the methods is new, based on the acquisition and analysis of thermal distribution functions of the oscillator's amplitude fluctuations. We evaluate this method in comparison to the three others and recommend it for its ease of use and broad applicability.

We have employed three-dimensional (3D) extrusion-based printing as a medicine manufacturing technique for the production of multi-active tablets with well-defined and separate controlled release profiles for three different drugs. This ‘polypill’ made by a 3D additive manufacture technique demonstrates that complex medication regimes can be combined in a single tablet and that it is viable to formulate and ‘dial up’ this single tablet for the particular needs of an individual. The tablets used to illustrate this concept incorporate an osmotic pump with the drug captopril and sustained release compartments with the drugs nifedipine and glipizide. This combination of medicines could potentially be used to treat diabetics suffering from hypertension. The room temperature extrusion process used to print the formulations used excipients commonly employed in the pharmaceutical industry. Attenuated Total Reflectance Fourier Transform Infrared Spectroscopy (ATR-FTIR) and X-ray powder diffraction (XRPD) were used to assess drug–excipient interaction. The printed formulations were evaluated for drug release using USP dissolution testing. We found that the captopril portion showed the intended zero order drug release of an osmotic pump and noted that the nifedipine and glipizide portions showed either first order release or Korsmeyer–Peppas release kinetics dependent upon the active/excipient ratio used.

A hot melt 3D inkjet printing method with the potential to manufacture formulations in complex and adaptable geometries for the controlled loading and release of medicines is presented. This first use of a precisely controlled solvent free inkjet printing to produce drug loaded solid dosage forms is demonstrated using a naturally derived FDA approved material (beeswax) as the drug carrier and fenofibrate as the drug. Tablets with bespoke geometries (honeycomb architecture) were fabricated. The honeycomb architecture was modified by control of the honeycomb cell size, and hence surface area to enable control of drug release profiles without the need to alter the formulation. Analysis of the formed tablets showed the drug to be evenly distributed within the beeswax at the bulk scale with evidence of some localization at the micron scale. An analytical model utilizing a Fickian description of diffusion was developed to allow the prediction of drug release. A comparison of experimental and predicted drug release data revealed that in addition to surface area, other factors such as the cell diameter in the case of the honeycomb geometry and material wettability must be considered in practical dosage form design. This information when combined with the range of achievable geometries could allow the bespoke production of optimized personalised medicines for a variety of delivery vehicles in addition to tablets, such as medical devices for example.