北京大學(xué)李志宏課題組：3D打印可定制柔性中空微針使用更小劑量藥物用于銀屑病治療

來(lái)源：摩方精密

微針做為一種新興的藥物遞送工具，在近些年的發(fā)展勢(shì)頭愈演愈烈。其給藥原理是針尖刺破皮膚最外層角質(zhì)層后進(jìn)行藥物遞送，將藥物送到皮下組織發(fā)揮藥效。通常，微針的高度從幾百微米到一千多微米，因?yàn)槠涓叨容^低，不會(huì)觸碰到毛細(xì)血管，因此不會(huì)出血，幾乎無(wú)痛。中空微針做為微針給藥重要的組成部分，也備受關(guān)注。中空微針的主要制備工藝是電鍍、激光鉆孔、DRIE和光刻等，其加工過(guò)程復(fù)雜，耗時(shí)，成本高，所用材料大多為硅和金屬，前者的脆性大，有斷裂在皮膚中的風(fēng)險(xiǎn)，二者的生物兼容性也有待驗(yàn)證，不便于實(shí)際應(yīng)用。此外，上訴工藝大部分屬于標(biāo)準(zhǔn)工藝，對(duì)相關(guān)參數(shù)要求嚴(yán)格。針尖形貌有很強(qiáng)一致性，比如參數(shù)均相同的圓錐形，針對(duì)某些需要不同形貌和高度的應(yīng)用顯得力不從心，缺乏一定的靈活性。最近較火的高精度3D打印技術(shù)看似彌補(bǔ)了相關(guān)劣勢(shì)，但打印時(shí)間長(zhǎng)，成本高，非生物兼容，很難實(shí)際應(yīng)用。

近期，北京大學(xué)的李志宏教授團(tuán)隊(duì)提出了一種優(yōu)化的微模塑工藝。該團(tuán)隊(duì)首次提出高精度3D打�。╩icroArch S240，摩方精密）后使用兩次翻模的方法，此方法很好傳承了高精度3D打印的優(yōu)勢(shì)，也彌補(bǔ)了其劣勢(shì)。通過(guò)對(duì)微針結(jié)構(gòu)和負(fù)模具選材進(jìn)行優(yōu)化，最終成功制備出不同形貌、高度和內(nèi)外徑的中空微針（HMNs）。襯底可以根據(jù)選材來(lái)調(diào)節(jié)為柔性或剛性，其厚度可以靈活調(diào)節(jié)。銀屑病被生成在小鼠背部，需要口服10倍劑量才能達(dá)到中空微針相似的療效，證明此方法制備的中空微針能達(dá)到甚至優(yōu)于主流中空微針的療效。相關(guān)成果以“Customized flexible hollow microneedles for psoriasis treatment with reduced-dose drug”為題發(fā)表在《bioengineering & translational medicine》期刊上。

圖1.（a）背部長(zhǎng)有銀屑病的小鼠。（b）HMNs治療恢復(fù)圖。（c）HMNs的爆炸圖和流程圖。

該研究中， HMNs器件圖和整體生物模型圖如圖1所示，器件部分（圖1c）包括兩個(gè)主要部分：（1）HMNs貼片，可以根據(jù)需求設(shè)計(jì)成針尖高度、內(nèi)外徑、形貌均不同的微針尖。（2）背部?jī)?chǔ)藥池，通過(guò)和HMNs貼片相同的工藝制的，其材料也和貼片一致。相同的材料做為“膠水”將二者粘在一起。使用輸液管和注射泵用作外部壓力供給，通過(guò)使用穩(wěn)定的流速將藥物遞送到小鼠皮下。

HMNs系統(tǒng)使用的是光固化生物兼容的樹(shù)脂材料，其原本用于牙齒修補(bǔ)，具有很高的硬度，可輕松刺穿豬皮。為驗(yàn)證刺入后針孔恢復(fù)情況，3名志愿者的胳膊被用作實(shí)驗(yàn)對(duì)象，通過(guò)直流電阻的變化可看出針孔在30分鐘內(nèi)恢復(fù)�；铙w熒光成像驗(yàn)證了藥物在10小時(shí)內(nèi)可擴(kuò)散到整個(gè)小鼠背部，體現(xiàn)了極高的藥物利用率。水流可從每個(gè)針孔均勻一致流出，驗(yàn)證了工藝的穩(wěn)定性。力學(xué)測(cè)試定量驗(yàn)證了HMNs在使用前后無(wú)損壞。為定性驗(yàn)證HMNs的針硬度，銀屑病被用作模型，其會(huì)使皮膚變紅變厚變硬直至長(zhǎng)出銀屑�；铙w實(shí)驗(yàn)結(jié)果充分驗(yàn)證了材料的硬度和工藝的成功。

銀屑病被生成在小鼠背部，使用HMNs進(jìn)行原位給藥，實(shí)驗(yàn)周期為7天，每天早上進(jìn)行治療和晚上進(jìn)行建模，于第8天處死。在考慮到所有變量的影響后，10組被用來(lái)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過(guò)每日對(duì)小鼠皮膚直觀恢復(fù)情況、雙層皮厚測(cè)量、體重變化、PASI分?jǐn)?shù)等評(píng)估，HMNs + MTX 0.2mg/kg和口服 + 2mg/kg的療效相仿，HMNs組的小鼠體重高于口服組，健康程度更好。

總之，我們首次實(shí)現(xiàn)兩次翻模工藝制備的HMNs的制備，通過(guò)刺入、直流阻抗、活體熒光成像、水流和力學(xué)等實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了工藝的優(yōu)勢(shì)性和穩(wěn)定性。通過(guò)對(duì)銀屑病的治療，驗(yàn)證了HMNs可以達(dá)到甚至優(yōu)于主流微針的療效。因此，HMNs有望應(yīng)用于更多實(shí)際應(yīng)用中去發(fā)光發(fā)熱。

圖2.（a）3D打印主模具、負(fù)模具、樹(shù)脂-HMNs和PI-HMNs的表征圖。（b）大片柔性PI-HMNs的不同角度彎曲圖。（c）大片柔性HMNs貼在人體胳膊的不同部位來(lái)證明其柔性。（d）樹(shù)脂-HMNs的整體圖，水流從每根針孔均勻流出來(lái)證明工藝的穩(wěn)定性。

圖3.（a）離體豬皮用來(lái)驗(yàn)證不同形貌的刺入力。（b）圓柱+錐形的樹(shù)脂-HMNs被用來(lái)進(jìn)行活體實(shí)驗(yàn)。（c）離體豬皮被用來(lái)驗(yàn)證刺入深度。（d）羅丹明B在10小時(shí)內(nèi)穿過(guò)小鼠整個(gè)背部。（e）樹(shù)脂-HMNs使用前后力學(xué)性能幾乎無(wú)變化。（f）通過(guò)阻抗的恢復(fù)可看出人體胳膊的針孔在30分鐘內(nèi)恢復(fù)。

圖4.（a）主要組別的皮膚日長(zhǎng)變化。（b）鼠背上的針孔在30分鐘內(nèi)恢復(fù)。（c）所有組雙層皮厚的日常變化。（d）所有組體重的日長(zhǎng)變化。

圖5.（a）HE染色、肥大細(xì)胞計(jì)數(shù)和肝腎臟切片分。（b）表皮厚度。（c）肥大細(xì)胞計(jì)數(shù)。（d）脾指數(shù)。（e）PASI評(píng)分。

原文鏈接：https://doi.org/10.1002/btm2.10530