3D打印空心微針實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制傳感和藥物傳遞

來(lái)源： EFL生物3D打印與生物制造

遠(yuǎn)程健康監(jiān)測(cè)和治療是促進(jìn)衛(wèi)生公平、彌合地理和社會(huì)經(jīng)濟(jì)差距、確保服務(wù)不足或偏遠(yuǎn)地區(qū)的人公平獲得高質(zhì)量醫(yī)療保健的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。通過(guò)使醫(yī)療保健民主化，這種方法提供了及時(shí)的干預(yù)、持續(xù)監(jiān)測(cè)和個(gè)性化護(hù)理，而不受個(gè)人位置或社會(huì)經(jīng)濟(jì)地位的影響，從而努力實(shí)現(xiàn)衛(wèi)生資源和結(jié)果的公平分配。以微米級(jí)針頭為特征的微針陣列（MNAs）徹底改變了無(wú)痛和微創(chuàng)的間質(zhì)液用于藥物傳遞和診斷。加拿大維多利亞大學(xué)Mohsen Akbari及其團(tuán)隊(duì)介紹了一種集成的治療診斷 MNA 系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用一系列用于定量檢測(cè)間質(zhì)液的pH 值、葡萄糖和乳酸的比色傳感器，以及一個(gè)可以實(shí)現(xiàn)按需給藥的遠(yuǎn)程觸發(fā)系統(tǒng)。超聲波霧化器的集成簡(jiǎn)化了 MNA，促進(jìn)快速、無(wú)泵和即時(shí)藥物輸送，增強(qiáng)系統(tǒng)的便攜性，同時(shí)降低復(fù)雜性。附帶的智能手機(jī)應(yīng)用程序可連接傳感和藥物輸送組件。該系統(tǒng)展示的功能包括檢測(cè) pH（3- 8）、葡萄糖（高達(dá)16 mM）和乳酸（高達(dá)3.2 mM），展示了按需給藥功能，以及通過(guò)劃痕測(cè)定評(píng)估遞送系統(tǒng)性能。這種創(chuàng)新方法面臨著藥物傳遞的挑戰(zhàn)，特別是在管理需要長(zhǎng)期治療的慢性病方面，同時(shí)也為通過(guò)微針傳感器進(jìn)行非侵入性健康監(jiān)測(cè)提供了途徑。

相關(guān)研究?jī)?nèi)容以“Remote-Controlled Sensing and Drug Delivery via 3D-Printed Hollow Microneedles”為題于2024年5月23日發(fā)表在《Advanced Healthcare Materials》。   

圖1 MNAs制備

圖2 3D打印傳感、藥物遞送MNA的圖像

該系統(tǒng)采用3D打印空心微針，帶有集成的超聲波霧化器，可實(shí)現(xiàn)按需藥物和精確的生物傳感室（圖1A）。數(shù)字光處理（DLP）打印過(guò)程如圖1B所示。圖1C顯示智能手機(jī)控制支持的傳感和藥物傳遞系統(tǒng)；3D打印MNA的SEM圖像如圖1D、E所示。   

生物傳感室呈正方形，形狀和尺寸如圖2A所示。用于傳感和藥物傳遞的MNA尺寸、形狀和部件如圖2A-C所示。使用測(cè)力計(jì)對(duì)MNA進(jìn)行機(jī)械測(cè)試，力-位移圖如圖2D所示。通過(guò)穿透豬皮膚來(lái)評(píng)估MNA穿透皮膚的性能。圖2E顯示用藍(lán)色染料插入MNA前后的豬皮膚。MNA穿透后豬皮膚的橫截面如圖2E（iv）所示。

圖3 生物傳感

圖3A代表用于單個(gè)生物標(biāo)志物感知的MNA，圖3B顯示同時(shí)感知各種生物標(biāo)志物的MNA。與孔直徑為400µm的MNA相比，孔直徑更大的MNA促進(jìn)更多的液體轉(zhuǎn)移（圖3C）。對(duì)于直徑為400μm的陣列，在不到4分鐘的時(shí)間內(nèi)完成傳感器顏色變化，響應(yīng)時(shí)間明顯更快（由潤(rùn)濕面積表示，圖3D）。當(dāng)MNA將提取的溶液引入傳感器時(shí)，其顏色會(huì)發(fā)生瞬時(shí)變化，這取決于pH值（圖3E），pH值更高時(shí)，傳感器的顏色變?yōu)樗{(lán)色。當(dāng)葡萄糖引入傳感器時(shí)，其氧化以及氧還原產(chǎn)生過(guò)氧化氫，反過(guò)來(lái)又引發(fā)過(guò)氧化物酶氧化成碘氧化物，導(dǎo)致顏色變化。如圖3F所示，顏色從淺黃色（沒(méi)有葡萄糖）變?yōu)榧t色（16 mM葡萄糖）。0到3.2的乳酸濃度結(jié)果如圖3G所示。在檢測(cè)過(guò)程之后，從傳感器拍攝的照片在紅色、綠色和藍(lán)色通道中進(jìn)行仔細(xì)檢查，隨著乳酸濃度的增加，紅、綠通道呈上升趨勢(shì)，而藍(lán)色通道呈下降趨勢(shì)（圖3G）。   

圖4 藥物傳遞

本研究使用一個(gè)以瓊脂糖水凝膠層為膜的Franz細(xì)胞室，用于模擬皮膚屏障（圖4A）。超聲輔助MNA的藥物遞送率比局部和僅微針高得多，而微針的藥物傳遞率比局部好得多（圖4B）。使用Micro 3D打印機(jī)制作孔直徑為200µm、300µm和500µm的MNA進(jìn)行比較，增加孔徑可以增加藥物遞送率（4C），表明通過(guò)使用不同的MNA孔徑來(lái)控制藥物遞送率是可能的。MNA能有效地滲透水凝膠，超聲振動(dòng)能促進(jìn)藥物傳遞（圖4F）。   

圖5 細(xì)胞毒性

本研究目的是比較藥物傳遞裝置的性能與直接添加到介質(zhì)中的條件。通過(guò)使用1、2天后拍攝的明場(chǎng)圖像監(jiān)測(cè)劃痕區(qū)域。結(jié)果如圖5-C所示，超聲輔助MNA與直接添加補(bǔ)充劑相似，表明該系統(tǒng)可以有效地傳遞藥物。進(jìn)行細(xì)胞活力測(cè)定以評(píng)估該系統(tǒng)的細(xì)胞毒性，將3D打印的MNA在培養(yǎng)基中孵育，并將這些孵育的提取物轉(zhuǎn)移到含有細(xì)胞的孔中，然后記錄不同時(shí)間點(diǎn)的細(xì)胞活力，與對(duì)照組相比，24h、48h后細(xì)胞活力下降，但均無(wú)統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（圖5D），表明所測(cè)試的材料適用于制造用于藥物遞送和傳感應(yīng)用的MNA。

總之，本研究探索了一種具有3D打印空心MNA的設(shè)備在生物標(biāo)志物傳感和按需藥物傳遞方面的潛力。生物標(biāo)志物比色監(jiān)測(cè)和按需藥物遞送的雙重功能為閉環(huán)按需給藥提供一種通用、創(chuàng)新的方法。通過(guò)對(duì)pH、葡萄糖和乳酸的比色分析，證明了MNA的傳感能力。此外，通過(guò)涉及局部應(yīng)用、微針穿透和超聲輔助微針遞送的比較研究來(lái)評(píng)估該設(shè)備的藥物傳遞性能。與其他方法相比，超聲輔助微針的方法在藥物傳遞方面明顯更有效，顯示了控制和增強(qiáng)藥物傳遞的潛力。綜上所述，具有DLP-3D打印空心MNA的可穿戴設(shè)備為按需給藥和健康監(jiān)測(cè)提供一個(gè)多方面的解決方案。

文章來(lái)源：https://doi.org/10.1002/adhm.202400881