可溶性微針的研究進展

李銳婷，李麗云 ，孫文強 ，丁江生 *

（1.云南中醫(yī)藥大學，云南 昆明 650500；2.云南省藥物研究所，云南 昆明 650111；3.云南省中藥和民族藥新藥創(chuàng)制企業(yè)重點實驗室，云南 昆明 650111）

經(jīng)皮給藥系統(tǒng)是繼口服、注射之后的第三大給藥系統(tǒng)，具有改善患者依從性、持續(xù)給藥、避免胃腸刺激和肝臟首過效應等優(yōu)勢[1]。皮膚作為人體最大的器官，對機體保持水分、免受外來傷害起重要的屏障作用。皮膚的最外層為致密角質層，其厚度約為15 ～ 20 μm，是經(jīng)皮給藥系統(tǒng)最主要的屏障，阻礙了藥物的有效遞送，限制了經(jīng)皮給藥的應用[2]。迄今為止，美國食品和藥物管理局（FDA）僅批準了20多種小分子藥物（相對分子質量小于400）用于經(jīng)皮給藥[3]。1976年，為克服傳統(tǒng)經(jīng)皮給藥的局限性，Gerstel和Place[4]首次提出微針遞送藥物的概念。直到1998年，Henry等[5]才發(fā)表了首篇微針技術遞送藥物的研究。近年來，微針作為一種高效經(jīng)皮藥物輸送的新技術得到了廣泛研究。

微針是指直徑小于幾十微米、長度為25 ～ 2 000 μm的針狀結構[6]。微針透皮給藥是由數(shù)枚至數(shù)百枚細小微針組成的陣列，通過刺穿皮膚上角質層產生允許藥物分子甚至藥物顆粒直接傳入皮下的微米級通道實現(xiàn)藥物輸送；微針經(jīng)皮給藥和常規(guī)（肌肉、皮下和皮內注射）給藥不同（見圖1）[7]，由于微針給藥不易刺激神經(jīng)末梢，不會或較少產生疼痛感；與傳統(tǒng)的皮下、皮內、肌肉給藥相比，微針給藥可以提高患者依從性，減輕醫(yī)護人員負擔，提高給藥的安全性和有效性。根據(jù)藥物釋放機制的不同，微針可以分為實心微針、中空微針、涂層微針、可溶性微針和水凝膠微針5種類型[8]。

圖1 不同經(jīng)皮注射給藥方式的示意圖Figure 1 Schematic diagram of different percutaneous injection methods

2005年Miyano等[9]制備了首個可溶性微針?？扇苄晕⑨樣伤苄圆牧现苽涠?，將藥物分散于針體中，使用時微針根據(jù)“戳和釋放”原理進行給藥，即給藥時微針插入皮膚，針體與皮膚間質液接觸后溶解，藥物在局部釋放。與其他類型的微針相比，可溶性微針的制備工藝簡單、制備材料豐富、交叉感染風險低、無尖銳廢棄物殘留，解決了硅、玻璃等微針針頭斷裂滯留于皮膚內難以處理的問題，且在一定程度上提高了微針的載藥量，擴大了微針的應用范圍。同時，根據(jù)治療需求選擇不同的制備材料及針體形狀，可制備出快速釋放、控釋、緩釋以及刺激響應釋放藥物等新型可溶性微針。本文對可溶性微針的研究進展進行綜述，以期對可溶性微針的開發(fā)利用提供參考。

1 基質材料

可溶性微針大多由生物相容性好、毒性低、可塑性佳和低成本的可溶性或可降解聚合物及碳水化合物制備而成。一般，可溶性微針的基質材料應符合下列要求[10]：1）生物相容性好、無毒，在臨床已應用；2）材料性質穩(wěn)定，不影響藥物活性；3）具有足夠的機械強度，能夠刺入皮膚而不斷裂；4）應用廣泛，可塑性強；5）在皮膚中能溶解并控制藥物的釋放速率。

目前，制備可溶性微針最常用的基質材料是透明質酸鈉（HA）和羧甲基纖維素鈉（CMC-Na），這2種材料被FDA批準用于非腸道藥物產品[11]。此外，較常用的材料包括聚乙烯醇（PVA）[12]、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）[12]、硫酸軟骨素（CS）[13]、羥丙甲纖維素（HPMC）[14]、碳水化合物材料（如麥芽糖和海藻糖）[15]等。

根據(jù)材料的力學特性，制備可溶性微針的基質材料可分為韌性材料和脆性材料[16]。韌性材料具有較佳的柔韌性，可塑性較強，制備微針時不易破碎斷裂，但微針的機械強度不足，無法刺入皮膚給藥，如PVA、CMC-Na等材料；脆性材料制備微針時機械強度佳，但給藥時微針易過脆而斷裂，如PVP、CS等。

HA是一種具有良好生物相容性、高度黏彈性、可塑性、滲透性的安全可靠的生物材料和藥物載體[17]。相對分子質量不同的HA，力學特性不同，制備微針時可根據(jù)實驗需求選擇不同相對分子量的HA。目前，HA已廣泛用于微針的制備，微針給藥時，HA可在組織液中迅速溶解，并在體內進行生物降解。

CMC-Na是一種生物相容性好、成本低廉、水溶性穩(wěn)定的高分子化合物。CMC-Na快速溶于水后呈凝膠狀態(tài)，制備的微針機械強度不足，固化時易變形。PVA是一種親水、生物相容良好、無毒、無致癌、無免疫原性的惰性高分子材料[17]，但使用PVA時其存在不可逆的熱凝膠化和長期保存時透明度損失的問題。制備微針時，PVA能迅速吸收水分，變得柔軟，從而增強微針的韌性，但影響微針的機械強度。因此，韌性材料適合與脆性材料混合使用以獲得機械性能較好的微針。

麥芽糖是一種生物相容性佳、穩(wěn)定性高、成本低、安全性好的碳水化合物。所有糖類中，麥芽糖制備微針的研究最多。麥芽糖微針機械強度佳，給藥時能在皮膚中快速釋放有效成分，當皮膚吸收麥芽糖時，其在體內是可生物降解的，腎臟會逐漸將其清除[17]。但是，糖類作為基質制備的微針用途有限。診斷研究領域，糖類可能會干擾診斷結果，特別是血糖的測定。

2 制備方法

微針最早的制備方法是微機電系統(tǒng)（MEMS）技術，在此基礎上發(fā)展出了激光切割、光刻、濕法和干法刻蝕、微模塑法等方法。目前，可溶性微針的制備方法包括溶劑澆鑄、光刻、液滴空氣吹法、3D打印、拉伸平版印刷法、熱壓、微模塑法和超聲波焊接等，其中，最常用、最簡單、最方便的方法是微模塑法。

3D打印是一種制備可溶性微針的新技術，通過計算機輔助設計（CAD），可以快速設計和打印出微針，且可自定義針密度、長度和形狀。常用的3D打印技術包括選擇性激光燒結（SLS）、立體光刻（SLA）和熔融沉積模型（FDM）。SLS和SLA打印機能夠生產小于100 μm的微針，但這些打印機價格昂貴，而且制備材料大都不具有生物相容性；FDM用途廣泛，成本效益高，可利用生物相容性較好的材料進行打印，如聚乳酸（PLA）和PVA等，但FDM技術的分辨率低于其他印刷方法，制備的樣品不夠精細[18]。Luzuriaga等[18]展示了一種新的制備方法，將FDM技術與濕法蝕刻相結合制備微針（見圖2），該方法能顯著改善微針的打印尺寸，得到理想的尺寸和形狀。

圖2 3D打印FDM技術與濕法蝕刻相結合制備可溶性微針示意圖Figure 2 Schematic diagram of 3D printing technology for dissolving microneedles

光刻技術是一種簡單的微針制備工藝，可以精確控制微針的尺寸、形狀和制備材料。軟光刻技術制備可溶性微針的步驟：先將聚合物膜與微針模具配對，通過加熱輥進行填充，然后將填充好的模具放在可溶于水的柔性襯底上，再次通過加熱輥分離模具，微針保留在背襯材料上制成微針貼片（見圖3）[19]。此外，加熱輥固化也可以使用光固化來代替。軟光刻法制備可溶性微針與立體平板拉伸法類似，具有高效和低成本的優(yōu)勢及良好的可擴展性。然而，該方法制備時需要在高溫狀態(tài)下進行，不適用于熱敏性藥物的制備。Moga等[19]通過軟光刻技術，使用PVP溶液制成的聚合物膜與全氟聚醚（PFPE）微針模具在105℃條件下成功制備了可溶性微針。

圖3 軟光刻技術制備可溶性微針示意圖Figure 3 Schematic diagram of dissolving micro-needles prepared by soft lithography

3 質量評價

目前，可溶性微針在國內外藥典中均無相關標準對其進行評價，且在藥物遞送領域尚未有上市產品，上市產品均為化妝品，其相關質量標準尚不完善。據(jù)研究報道[11,20-24]，可溶性微針主要從以下幾個方面進行質量評價。

3.1 物理特性

通常，可以通過目測、體式顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）等手段來評估微針的幾何結構，表征微針的尺寸、表面形態(tài)以及微針在陣列上的分布等[20]。同時，顯微鏡技術也可以應用于通過熒光素標記藥物來分析藥物在微針中的分布情況。

3.2 機械強度

可溶性微針應具備良好的機械強度和韌性，可以插入皮膚并將藥物輸送到皮下組織，且能抵抗斷裂和彎曲破壞。微針的機械強度與制備微針的基質材料、微針的含水量、微針的幾何形狀等相關。通常，將機械強度實驗與插入研究相結合，根據(jù)插入力、插入深度、微針穿透成功率等參數(shù)進行評價[11]。

3.3 體外滲透性

可溶性微針中體外滲透性研究對其給藥時間、給藥劑量至關重要。采用Franz立式擴散池開展微針的體外經(jīng)皮滲透性研究，將微針貼片作用于中間的皮膚角質層（通常是動物皮膚或人工合成膜）上，以緩沖液為接受液，在不同的時間點進行取樣，采用高效液相色譜法、紫外分光光度法等方法定量分析微針貼片中藥物的溶出量、溶出速率以及溶出曲線，并觀察微針的溶解狀態(tài)，測量微針長度的變化[21]。

3.4 體內藥代動力學

微針的體外滲透研究存在一定的局限性，體內藥代動力學研究可以對微針貼片的藥效學和安全性進行評價。常選小鼠和大鼠進行微針的藥代動力學評價，因為在嚙齒類動物中，老鼠的皮膚與人類最為相似，且造模較為方便[22]。微針貼片給藥前后，分別在相應的時間點抽取適量老鼠的血液進行檢測，對藥代動力學參數(shù)如血藥峰濃度（Cmax）、達峰時間（Tmax）等進行研究。

3.5 對皮膚刺激性和恢復情況

微針貼片給藥后，皮膚最常見的不良反應包括作用部位出現(xiàn)輕微、短暫的紅斑和水腫。Kusamori等[23]試圖通過Draize方法量化使用微針前后皮膚產生紅斑、水腫的程度來評價微針對皮膚的刺激性，但Draize方法相對主觀，不同的實驗者可能會存在一定差異。同時，微針對皮膚的恢復情況可用經(jīng)皮水分丟失（TEWL）來評價，對比使用微針前后的TEWL值差異，通過角質層水分散失的情況來評價皮膚的受損情況，但需要考慮由于皮膚的彈性，微針給藥通道恢復，TEWL值會隨著時間的推移而緩慢降低。

3.6 穩(wěn)定性

可溶性微針的穩(wěn)定性研究主要考察不同溫度、濕度對微針貼片的影響。將微針貼片放置于不同溫度、濕度的環(huán)境中，考察微針貼片的物理和化學穩(wěn)定性，如微針機械強度、藥物穩(wěn)定性等。Mistilis等[24]開展流感疫苗可溶性微針貼片的穩(wěn)定性研究，將微針貼片分別置于4種不同的條件下，即25℃下儲存24個月、60℃下儲存4個月、進行5次凍融循環(huán)儲存和電子束輻照儲存，結果表明疫苗活性均無顯著變化。

4 應用

可溶性微針具有給藥效率高、安全性好、生物相容性好等優(yōu)勢，在藥物遞送、免疫接種、美容美體、疾病診斷等領域已有廣泛研究和應用。

4.1 藥物的遞送

目前，可溶性微針已被廣泛用于多種藥物的經(jīng)皮給藥，如小分子藥物利多卡因、咖啡因、蒿甲醚、阿侖膦酸鹽等，以及大分子藥物、蛋白質、激素、多肽等。表1總結了部分可溶性微針遞送藥物分子用于疾病治療的研究情況。

表1 可溶性微針中藥物分子的遞送Table 1 Delivery of drug molecules in dissolving microneedles

4.2 疫苗的遞送

2010年，可溶性微針首次用于疫苗的遞送[32]。大多數(shù)疫苗接種是通過肌內或皮下注射完成，但接種方式會產生疼痛感。可溶性微針將免疫載體導入皮膚，增強免疫反應。研究表明，與傳統(tǒng)的給藥方式相比，微針接種具有抗原穩(wěn)定性高、用量小和強免疫原性等優(yōu)勢，且微針接種通常不需要冷鏈保存，成本較低[33]。目前，可溶性微針已用于遞送多種疫苗的研究。

Yan等[34]使用可溶性微針對結核分枝桿菌分泌蛋白Ag85B DNA疫苗進行遞送以預防結核病。在小鼠體內進行給藥，當免疫劑量較低（4.2 μg）時，微針給藥接種和肌內注射接種的免疫反應無顯著差異；當劑量較高（12.6 μg）時，微針接種產生的免疫反應比肌內注射接種的反應強。該研究表明，可溶性微針接種Ag85B DNA疫苗能提高疫苗的免疫活性，為結核病提供一種新的防治方法。

Kim等[35]利用其在冠狀病毒疫苗和微針給藥方面的豐富經(jīng)驗，快速研發(fā)出負載重組冠狀病毒（SARS-CoV-2）疫苗的可溶性微針。研究表明，小鼠接種SARS-CoV-2微針疫苗后2周內能引起明顯的病毒特異性抗體反應。重要的是，SARSCoV-2微針疫苗經(jīng)γ射線徹底消毒后仍能保持其效力，這是制備適合人類使用產品的關鍵步驟。該研究為臨床研制可溶性微針接種抗新型冠狀病毒肺炎（COVID-19）等新型傳染病疫苗提供了可行依據(jù)。

4.3 美容美體

近幾十年來，微針在美容美體領域也取得了重大進展，在市場上已使用十多年，主要用于疤痕的治療、美白、除皺、黃褐斑及疤痕的治療等。目前，日本Cosmed制藥公司使用透明質酸鈉和膠原蛋白研發(fā)并上市了用于美白、祛斑的微針產品MicroHyala?，這是世界上首個成功上市的可溶性微針產品。

Xie等[36]開發(fā)了一種治療皮膚增生性瘢痕的博來霉素載藥可溶性微針（BMN）。BMN具有足夠的機械強度插入皮膚，體外研究表明，1 min內微針溶解釋放20%的博來霉素，10 min內微針完全溶解并釋放52%的藥物。同時，博來霉素可溶性微針可以抑制人增生性瘢痕成纖維細胞（HHSFB）的增殖和轉化生長因子b1（TGF-b1）的分泌，為治療增生性瘢痕提供一條方便、高效、微創(chuàng)的途徑。

Aung等[14]使用HPMC/PVP基質開發(fā)了負載α-熊果苷的可溶性微針用于皮膚美白，可溶性微針45 min內完全溶解，經(jīng)皮累積滲透量為312.23 μg。與傳統(tǒng)制劑相比，可溶性微針中α-熊果苷的經(jīng)皮滲透量為凝膠制劑的4倍。此外，使用可溶性微針貼片后，皮膚可以自然愈合，無感染現(xiàn)象，在加速條件儲存4周藥物活性保持穩(wěn)定。

4.4 疾病診斷

微針貼片作為一種簡化的診斷工具越來越受到人們青睞，可以遞送過敏原用于過敏診斷，也可對微量血液或間質液進行采樣，檢測生物標志物等。與傳統(tǒng)技術相比，可溶性微針可以提供一種微創(chuàng)、無痛、無不良反應的診斷方法。

結核菌素皮膚試驗（TST）是一種結核病篩查方法。Wang等[37]使用可溶性微針將純化蛋白衍生物結核菌素遞送至皮膚以檢測結核病。經(jīng)人體試驗研究結果表明，微針1 h完全溶解，TST產生皮膚反應時，微針貼片所需結核菌素的劑量（0.04 IU）僅為常規(guī)注射劑量（2 IU）的1/50。與常規(guī)注射相比，微針遞送結核菌素在肺結核患者皮膚表面產生的紅腫更小、持續(xù)時間更短，在健康人體中的皮膚反應不明顯。由此可知，采用可溶性微針能安全、有效地診斷結核病，為其臨床應用提供了一定的參考依據(jù)。

萬古霉素（vancomycin，VCM）是一種糖肽類抗生素，主要用于革蘭陽性菌引起的肺炎、肺膿腫等疾病，但VCM給藥后有許多不良反應，提倡對其進行治療藥物監(jiān)測。Ito等[38]設計一種無痛的VCM監(jiān)測方法，通過不同時間可溶性微針插入皮膚形成的孔道抽取皮膚間質液（ISF）進行檢測，發(fā)現(xiàn)ISF-VCM濃度與VCM的血藥濃度相關性顯著，且使用可溶性微針對皮膚不產生損傷、不引起炎癥。因此，與血液采樣相比，通過可溶性微針采集間質液監(jiān)測VCM是一種更安全、更有效的方法。

5 結語與展望

近幾十年來，可溶性微針作為一種新型的經(jīng)皮給藥方式，因其優(yōu)勢眾多，逐漸被開發(fā)應用于多種藥物分子尤其是大分子藥物的遞送，但大多數(shù)仍處于研發(fā)階段?？扇苄晕⑨樧鳛樽罹邞们熬暗囊活愇⑨?，制備材料豐富多樣，制備方法日益改進，微針性能逐漸完善，在藥物遞送、疫苗接種、疾病診斷及化妝品等領域也取得了重大進展，但仍面臨許多問題亟待解決。如大多數(shù)聚合物材料和碳水化合物制備可溶性微針時機械強度不足，刺入皮膚時可能發(fā)生彎曲、斷裂等情況，影響微針的療效。同時，制備可溶性微針的聚合物在體內溶解后可能部分沉積于皮膚中，可能形成肉芽、局部產生紅斑或積聚在體內器官中，長期產生的影響目前尚不完全清楚。此外，可溶性微針的工業(yè)化生產需要無菌條件，批量生產面臨許多困難需要進一步解決。

未來，研究人員制備可溶性微針時可選擇機械強度良好、可在體內降解的新材料，探尋可溶性微針新的制備方法和生產工藝，賦予微針新的性能，如微針實現(xiàn)智能調控給藥等。相信隨著科學技術的發(fā)展和研究人員的不斷努力，能一步一步解決現(xiàn)存的問題，走向臨床應用，開發(fā)出更多安全、高效、經(jīng)濟、應用廣泛的可溶性微針產品。