水凝膠微針的研究進展

姜升茜，王東凱

（沈陽藥科大學 藥學院，遼寧 沈陽 110016）

傳統給藥形式常指的是口服給藥和注射給藥，這兩種方式各自存在一些缺點。例如，口服給藥有首過效應，且容易引發胃腸道反應，注射給藥則會引起注射部位疼痛，導致患者用藥依從性差。而微針作為一種長度通常不超過一納米，寬度不超過五百微米的點陣狀經皮給藥制劑，可以有效避免上述缺點。

第一，微針的主要遞藥方式為透皮吸收，可以避免首過效應和胃腸道反應。第二，許多不能通過傳統經皮途徑輸送的化合物也能以微針的形式輸送。皮膚作為人體最大的器官，可以保護我們脆弱的內部器官免受外界環境的傷害，但由于角質層施加的皮膚屏障，大量藥物，尤其是水溶性藥物和大分子脂溶性藥物不能以治療速率透過皮膚，這嚴重限制了透皮給藥的應用。而微針可以在皮膚外層產生臨時通道，從而使藥物繞過角質層屏障。第三，通過微針給藥可以實現精確給藥，使藥物遞送的劑量更加準確，避免毒副作用[1]。第四，由于微針的長度足以穿透表皮角質層，但是又達不到神經末梢，所以微針基本上是無痛的，這增加了患者的依從性[2-3]。

目前，已有的微針種類包括：固體微針、涂層微針、溶解微針、空心微針和聚合物微針（Polymer microneedles）?？招奈⑨橆愃朴谄は伦⑸溽?，其長度較短，具有用于輸注液體藥物的小孔，但制備工藝復雜、成本高，不適于批量生產；固體微針是在皮膚上刺一個可逆的孔洞后再貼上一個含藥的貼片，給藥方式煩瑣；涂層微針則是在固體微針表面進行涂層，然后藥物從涂層的表面擴散到更深的表皮層，但其和溶解微針一樣，藥物溶解速度過快，不能達到緩控釋的效果；聚合物微針可以是不同類型的，如由聚合物制成的溶解型、非溶解型或水凝膠型微針。研究表明，用微針遞送肽和蛋白質分子會產生比標準的注射給藥途徑更好的遞送效果[4-5]。

Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of various types of microneedles表1 各類微針的優缺點對比

除此之外，水凝膠微針的可塑性更好，能制作成不同的形狀，并且可以很容易的從皮膚上剝離，沒有殘留，這些都是其他類微針所不具備的優勢。但水凝膠微針也有它的弊端，一般的水凝膠微針在給藥后會有突釋效應，容易產生毒副作用，若所選用的聚合物不具備生物相容性，還容易引起毒性反應[6]。

1 水凝膠微針簡介

水凝膠微針（Hydrogel-Forming Microneedles）屬于聚合物微針的一種，最早可以追溯到 2012年，Leese 的小組首次報道了由可溶脹的聚合物制備的水凝膠微針。這種微針能大大增加載藥量，提高對皮膚和蛋白的生物兼容性，也可以制造成各種尺寸和幾何形狀，易于消毒，并且能完整地從皮膚上取下，與可溶性微針相比有相當大的優勢[7]。

1.1 作用機制

水凝膠是由天然的或合成的聚合物鏈組成的凝膠，具有良好的生物相容性，其親水結構使得其三維網狀結構中能容納大量的水，因此具有高吸水性。而水凝膠微針作為一種獨特的微針陣列，它的釋藥機制不同于其他微針類型，其本身不含有藥物，但在插入皮膚時會迅速吸收皮膚間質液，從而膨脹，形成從貼片型藥物儲庫到皮膚微循環的連續、不堵塞的水凝膠導管，高濃度的藥物便由儲庫中釋放到皮膚中[8-9]。此外，經水凝膠微針遞送藥物的速率可以通過水凝膠纖維的交聯密度來調節[10]。

1.2 制備材料

微針技術的進步體現在從簡單的由硅和金屬制成的實心固體微針到生物響應性的水凝膠微針和可溶解微針的轉變，傳統微針的金屬碎塊可能會殘留在皮膚內，由此導致無機顆粒在體內積淀，而水凝膠具有良好的生物相容性，常用于藥物傳遞領域[11-12]。常見的可用于制成水凝膠的天然高分子有甲基纖維素、阿拉伯膠、透明質酸、殼聚糖、淀粉等其他天然衍生聚合物，合成高分子有聚乙烯醇、聚丙烯酸鈉、甲基丙烯酸類聚合物等[12-13]。單一材料制備的微針會產生諸如機械強度低、穩定性差等缺陷，所以經常選擇多種材料作為微針基質[14]。

1.3 制備方法

水凝膠微針是聚合物微針的一個亞型，其中，聚合物表現出水凝膠的物理化學性質。由于這些聚合物之間存在相似性，因此，無論聚合物是否具有水凝膠的性質，制備方法都是相似的[11]。常見的制備流程是先將聚合物分子間通過物理交聯、靜電相互作用或者化學交聯形成后形成親水性聚合物網絡，然后通過一定的方法將聚合物水凝膠注射到微針模具中，靜置干燥一定時間，脫模，干燥，儲存。

隨著科學技術的飛速發展，近幾十年來出現了越來越多用途廣泛的微針制造技術。一般制備微針的方法有微成型法[6]、循環冷凍解凍法[14-15]。微成型法是制造聚合物微針最常用的方法，具有可重復、成本低以及可批量生產的特性[16]。該法利用激光蝕刻、離子蝕刻和其他方法直接或間接制造出所需尺寸和形態的微針模具；然后，將所需的水凝膠聚合物添加到模具中，以制造相應的聚合物微針[6]。接著，將載藥的聚合物溶液澆注到微針模具中，通過離心、真空或超聲波等方法促使聚合物溶液進入微針模具的孔內，消除氣泡，干燥模具，得到所需的聚合物微針。循環冷凍解凍法是將含有聚合物的水溶液在 -20 ℃ 下冷凍 1～12 h，隨后將它們在 23 ℃ 解凍 24 h。該過程重復 4 次，并在每個凍融循環后測量重量變化和膨脹程度[17]。

2 水凝膠微針的分類

水凝膠微針可進一步被分為可溶解可降解水凝膠微針（Dissolving and Degradable Microneedles）和相轉化水凝膠微針（Phase Transition Microneedle），兩者的區別在于，前者將藥物和基質都留在皮膚中，后者則只將基質中的藥物遞送到皮膚中，剩余的成分在使用后則可以很容易地從皮膚上除去。對于需要每天使用的藥物，相轉化水凝膠微針更容易被患者接受[12]。

2.1 可溶解可降解水凝膠微針

微針可以被設計用于生物分子、蛋白質、疫苗、DNA 或抗體的經皮遞送。但是涂層微針和中空微針的金屬針頭由于長期插入皮膚中，容易使破損的皮膚感染，使用受到了限制。于是，便開發了可溶解或可降解水凝膠微針來克服這一安全問題。它們有著共同的機制特點：藥物釋放的模式依賴于微針基質的溶解和降解。這些微針在水中溶解或降解，從而在使用后不會留下尖銳的醫療廢物[12]。實驗證明可溶解微針在插入皮膚后，能在短時間內迅速溶解并釋放藥物，從而將藥物分子釋放到皮膚中[18]?？缮锝到獾奈⑨樤谑┯煤髸谄つw中降解，從而釋放結合的藥物，通過選擇合適的聚合物可以使釋藥時間維持長達幾個月。

2.2 相轉化水凝膠微針

相轉化水凝膠微針中的藥物釋放是聚合物吸收體液后溶脹的結果。干燥狀態下的微針處于玻璃態，有足夠的強度刺入到皮膚中。刺入后的微針由于體液的吸收而溶脹，相轉化為水凝膠微針，藥物從水凝膠中釋放。此外，可以通過調整凝膠的組成和凝膠內部交聯密度來調整藥物的釋放模式。而凝膠經過物理交聯處理后不再溶于體液，可以停留在皮膚上，保證了微針底層藥物的持續釋放[19]。

這種相轉化水凝膠微針在使用后很少甚至沒有剩余，同時還保留了其它微針的優勢，如藥物滲透量和速率提高、載藥量大、相對容易制造等。因為皮膚中幾乎沒有非藥物殘留，所以有效增加了患者用藥的依從性。

3 研究進展

水凝膠微針具有制備工藝簡單、成本低廉、生物相容性好、載藥量高等獨特優勢，是透皮給藥的研究熱點[19]。目前，水凝膠微針已在腫瘤治療[20-22]、傷口愈合[23-24]、藥物遞送[19]、疾病診斷與監測、微針疫苗[25-26]等方面具有較廣泛的研究。

3.1 腫瘤治療

微針已被用于癌癥的診斷、疫苗接種和靶向藥物遞送。S. Khan 及其團隊[20]發現，在乳腺腫瘤的治療中，微針陣列可以根據體重、乳腺腫瘤大小和藥物的循環時間以相對無創的方式遞送抗癌化合物。此外，微針可以同時裝載多種藥物并實現控釋，從而有效優化或防止藥物—藥物相互作用。

黑色素瘤是一種惡性腫瘤，發生轉移的患者生存率極低。傳統的黑色素瘤常用手術和藥物治療方法，但伴有全身不良反應大，藥物濃度低等缺陷。Cheng Liu 及其團隊[22]使用水凝膠微針透皮給藥，不但提高了藥物濃度，而且還減少了治療過程中的不良反應，對黑色素瘤有良好的治療效果。

另外，基于微針陣列的癌癥檢測和治療目前受到了廣泛關注，這是源于：①微針可以局部植入腫瘤組織，從而避免與全身給藥相關的所有不良反應；②基于微針的腫瘤藥物遞送裝置不但可以有效遞送小分子，還可以遞送如化療藥物、蛋白質、遺傳物質等大分子[21]。

3.2 傷口愈合

如何在最小化組織損傷的同時，實現對軟組織的顯著粘附是學術界的一大挑戰?；瘜W粘合劑通常會誘發顯著的炎癥反應，增加局部組織感染的風險乃至于損傷神經和血管，正因如此，其使用充滿了局限性。

受體內寄生蟲的啟發，科學家開發了一種二相微針陣列，它通過可膨脹的微針尖端與組織機械性地互鎖，在皮膚傷口愈合中實現了約 3.5 倍的粘附強度增加[23]。與縫合相比，仿生水凝膠微針貼片作為組織粘合劑具有很大的優勢，包括方便、省時、通過均勻分布機械應力減少組織損傷，以及防止氣體液體泄漏等。除了促進組織愈合，水凝膠微針貼片還可以通過可逆的微通道將抗炎和促再生分子等治療物質輸送到靶部位來加速傷口愈合[24]。

糖尿病患者和臥床病人常會有不同程度的皮膚損傷，如果這種皮膚損傷不能及時愈合的話，有可能會危及生命。許多研究探索了各種治療方法對傷口愈合的功效，最近，研究人員證明，慢性傷口的復雜環境可能會降低局部應用治療的可行性。而微針陣列可以用來提高輸送效率，從而改善糖尿病患者和臥床病人的傷口愈合[27]。

3.3 藥物遞送

將水凝膠作為微載體輸送大分子藥物已經成為研究熱點之一。水凝膠微載體具有高效、柔軟、生物相容性高、藥物負載能力強以及釋藥速度可控的優點，特別是智能響應性微載體，它可以敏感地響應外部微環境的刺激，如溫度、光、pH、離子強度、磁場、電場等[28]，以即時和受控的方式釋放所裝載的藥物。在所有這些遞送微載體的方法中，注射給藥是最常見和應用最廣泛的一種。然而，注射給藥會產生一系列問題，除了會導致疼痛、皮膚感染、應用過程復雜外，通過皮下注射遞送的載藥微載體很少能在皮膚下均勻分布，從而限制了藥物的進一步釋放和吸收。因此，無痛、無創、方便和均勻遞送微載體的水凝膠微針應運而生。

胰島素作為一種需要長期頻繁注射給藥的蛋白多肽類藥物，其患者順應性一直很低，水凝膠微針的出現解決了這一問題。目前，關于胰島素非注射給藥劑型的研究頗多，選用 PVA 和Dextran 制備的相轉化水凝膠可以實現大劑量給藥，控釋給藥等臨床需求[19,29]；Fan[28]提出了一種新的策略，通過將黑磷水凝膠微球整合到微針陣列中來實現多功能和可控的藥物輸送。研究表明，PDDMs-MNs 可以可控地釋放胰島素并調節鏈脲佐菌素誘導糖尿病小鼠的血糖水平。這些研究結果都證明了水凝膠微針在大分子藥物遞送方面的作用。

3.4 疾病的診斷與監測

在疾病的診斷方面，可以通過提取皮膚間質液的方法，檢測人體重要的生物標志物，如葡萄糖[30]、核酸、蛋白質等。間質液可替代體液，為臨床分析提供廣泛的健康相關生物標志物。一方面，皮膚是最容易接近的器官，另一方面，在真皮層中含有豐富的間質液，因此對皮膚間質液進行取樣在臨床診斷中是很普遍的。

然而，現有的采樣方法，如微透析和開流微灌注等方法，既耗時又繁瑣，患者依從性差。而微針具有微創和操作簡便的特性，可以用于提取皮膚間質液。水凝膠微針因其簡單、高效且具有良好的生物相容性而受到廣泛關注，基于水凝膠的可膨脹性，Samant 等[31]的最新研究表明，以聚乙烯醇（PVA）作為基質物制備而成的水凝膠貼片可以從體外豬皮膚中收集間質液。

糖尿病患者的血糖監測對于糖尿病管理至關重要，微創的血糖監測可以提高患者順應性。2022 年，Yan Wang 的團隊[30]開發了一種基于響應式水凝膠系統的用于微創血糖監測的智能微針貼片系統。該貼片由光固化樹脂的透明基材以及 pH 和葡萄糖響應水凝膠制成的微針組成。響應性復合水凝膠對生理范圍內的葡萄糖水平表現出快速響應和高敏感性。在小鼠體外模擬皮膚和體內糖尿病中的血糖監測顯示，微針能對葡萄糖濃度做出快速而靈敏的反應，通過微針高度和溶脹比的變化，可以定量讀出葡萄糖水平。此外，小鼠體內的讀數與血糖儀測量的血糖水平一致。這種智能微針系統具有替代傳統采血式血糖監測方式的潛力，可以最大限度地減少患者在血糖檢測過程中的不適[19]。

3.5 微針疫苗

2013 年，Peter C DeMuth 的團隊[25]對小鼠的研究表明，微針能夠有效地將疫苗輸送到皮膚里，引發對流感、丙型肝炎和西尼羅病毒的保護性免疫。Ying Liu 及其團隊[26]比較了通過微針貼片皮內免疫和常規肌肉注射在小鼠體內誘導的埃博拉病毒糖蛋白亞單位疫苗的免疫應答，結果表明，與肌內注射相比，微針遞送的糖蛋白誘導了更高水平和更持久的針對糖蛋白的抗體應答。

4 發展前景

由于水凝膠微針技術的逐步成熟，大分子的輸送不再局限于可以裝載到微針本身中的物質，這項技術有可能克服傳統微針設計的局限性，極大地增加可透皮給藥的藥物類型的范圍，從而為行業、醫療保健提供者以及最終為患者帶來好處。然而，水凝膠微針作為一種十幾年前剛剛問世的新型藥物制劑，在臨床研究方面依然存在很多問題。一款好的水凝膠微針制劑必須具備良好的載藥量、生物安全性、患者順應性，以及能大量投入生產的可行性。所以，未來應尋找相對便宜的原材料，改進制造工藝，使其能夠在臨床應用中發揮更大的價值。