作者

劉秋杏，鄧潔，崔升淼

廣東藥科大學(xué)中藥學(xué)院

摘要

皮膚角質(zhì)層是經(jīng)皮給藥的主要屏障，微針可穿刺皮膚角質(zhì)層，在表皮層和真皮層之間形成微米級(jí)的孔道，促進(jìn)生物大分子類藥物和難溶性藥物分子的滲透，進(jìn)而克服了傳統(tǒng)藥物經(jīng)皮滲透率低的問題。水凝膠微針具有一定的機(jī)械強(qiáng)度，可穿刺皮膚角質(zhì)層，吸收皮膚間組織液，在皮膚生物標(biāo)志物的識(shí)別方面發(fā)揮重要作用，是近年來的研究熱點(diǎn)之一。筆者從水凝膠微針的形成機(jī)制、透皮給藥應(yīng)用方面以及存在的一些問題總結(jié)了近年國(guó)內(nèi)外的相關(guān)代表文獻(xiàn)，并展望了這一領(lǐng)域的未來發(fā)展。

正文

皮膚作為人體最大的器官，約占人體體重的10%以上，為經(jīng)皮給藥提供一定的空間。它主要由表皮和真皮兩大層組成，角質(zhì)層位于表皮最外層，厚約15～20μm［1］，具有特殊的組分和致密的結(jié)構(gòu)，是藥物分子擴(kuò)散和滲透的主要障礙。表皮下為真皮，約300～5 000μm厚，包括汗腺、神經(jīng)末梢和毛細(xì)血管等。藥物主要通過細(xì)胞內(nèi)、細(xì)胞間和跨膜運(yùn)輸3種途徑在皮膚中擴(kuò)散［2］。皮膚附屬物僅占體表總面積的0.1%，對(duì)離子和不能自由穿透角質(zhì)層的強(qiáng)極性分子的運(yùn)輸起著至關(guān)重要的作用。此外，角質(zhì)層的結(jié)構(gòu)和厚度會(huì)隨著年齡、環(huán)境及病理?xiàng)l件等方面而發(fā)生改變，影響藥物分子的滲透。然而，由于角質(zhì)層要保護(hù)皮膚免受病原體和身體的攻擊，皮膚會(huì)變得堅(jiān)韌且使藥物分子難以滲透，從而限制了透皮給藥制劑的應(yīng)用［3］。

與傳統(tǒng)的遞藥途徑(如口服，注射)相比，透皮給藥主要在皮膚上放置微針貼片，穿刺皮膚角質(zhì)層，通過皮膚組織將藥物輸送到血液中，因具有自我給藥、按需給藥、患者順應(yīng)性好、避免肝臟的首過效應(yīng)和胃腸道的藥物降解等優(yōu)點(diǎn)而備受關(guān)注［4］。滲透增強(qiáng)技術(shù)的迅速發(fā)展克服了角質(zhì)層的屏障障礙，拓寬了透皮給藥在藥物化療、基因治療、疫苗傳遞等領(lǐng)域的應(yīng)用［5］。微針(microneedles)由單個(gè)或多個(gè)微米級(jí)別的針頭組成，直徑一般為幾百微米，高度可達(dá)毫米級(jí)別，可分為固體微針(solid microneedles)、中空微針(hollow microneedles)、涂層微針(coated microneedles)、溶解微針(dissolvable microneedles)和水凝膠微針(hydrogel microneedles)，在美容、治療及診斷等領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。水凝膠微針分為天然水凝膠微針與合成水凝膠微針，分別由天然高分子(如透明質(zhì)酸、明膠、瓊脂等)和合成高分子(如聚乙烯醇、聚丙烯酸鈉、甲基丙烯酸類聚合物等)所制備［6］，其中一些聚合物由于具有良好的生物相容性、可降解性和無毒性而受到越來越多的關(guān)注［7］，使得水凝膠微針成為了微針領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)之一。筆者從水凝膠微針的形成機(jī)制、應(yīng)用研究以及存在的一些問題總結(jié)了近年國(guó)內(nèi)外的相關(guān)代表文獻(xiàn)，并對(duì)這一領(lǐng)域的未來發(fā)展進(jìn)行展望。在Web of Science以“hydrogel microneedle”為關(guān)鍵詞檢索近10年水凝膠微針發(fā)表的文獻(xiàn)情況，見圖1。

1、水凝膠微針的形成機(jī)制及制備

水凝膠微針具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度穿透皮膚，植入皮膚后吸收組織液，造成聚合物的膨脹，繼而形成連續(xù)的、不可堵塞的水凝膠管道，打開了藥物釋放的擴(kuò)散通道，使藥物釋放并在體內(nèi)發(fā)揮治療效果。水凝膠的凝膠化可通過多種機(jī)制實(shí)現(xiàn)，包括聚合物鏈的物理交聯(lián)、靜電相互作用和共價(jià)化學(xué)交聯(lián)，最后形成吸水膨脹的親水性聚合物網(wǎng)絡(luò)，聚合物網(wǎng)絡(luò)具有多孔結(jié)構(gòu)，可將藥物包裹其中，減少藥物在運(yùn)輸過程的損失，增強(qiáng)藥物的療效。這一類聚合物還具有廣泛可調(diào)的物理和化學(xué)性質(zhì)［8］，能協(xié)助治療過程中藥物的可控釋放。水凝膠微針是將聚合物形成水凝膠后再通過一定的方法注入微針模具，靜置干燥一定時(shí)間后脫模，并需干燥保存。水凝膠的凝膠化機(jī)制和水凝膠微針的透皮機(jī)制見圖2。

1.1物理交聯(lián)

許多天然聚合物，如海藻來源的多糖和動(dòng)物來源的蛋白質(zhì)，包括瓊脂糖，透明質(zhì)酸，膠原蛋白等，可形成熱驅(qū)動(dòng)水凝膠。在凝膠化過程中，由于溫度的變化，聚合物鏈會(huì)發(fā)生物理纏結(jié)，這種變化主要由聚合物溶解度的改變和主鏈的形成所引起，見圖2A。溫度升高或降低，可能導(dǎo)致熱凝膠化，其中轉(zhuǎn)變溫度分別為較低的臨界溫度(LCST)和較高的臨界溶液溫度(UCST)［9］。UCST的大分子包括天然聚合物，如明膠及合成聚合物，如聚丙烯酸，當(dāng)溫度降低到UCST以下時(shí)，其他一些大分子就會(huì)表現(xiàn)出LCST行為，如合成聚合物(N-異丙基丙烯酰胺)。

采用雙物理交聯(lián)方法可制備具有超高韌性的可模塑水凝膠。丙烯酸單體先在殼聚糖(Ch)濃溶液中進(jìn)行了原位聚合，得聚電解質(zhì)絡(luò)合物水凝膠，隨后將Ag+離子引入其中，在氨基和羧基之間形成配位鍵，高密度靜電相互作用和配位鍵賦予水凝膠超高韌性［10］。天然高分子水凝膠的力學(xué)性能較差，溶脹是導(dǎo)致水凝膠弱化的關(guān)鍵因素之一。以明膠的自組裝三螺旋結(jié)構(gòu)、明膠接枝和自由疏水基序的疏水聚集為基礎(chǔ)，賦予超分子明膠水凝膠不膨脹、熱塑性和韌性強(qiáng)的特性，加熱時(shí)顯示很高的延展性，但冷卻到室溫后轉(zhuǎn)變?yōu)闃O強(qiáng)的韌性［11］。物理交聯(lián)無需使用化學(xué)交聯(lián)劑，具有良好的生物相容性與安全性，能實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用，但這一類水凝膠韌性較強(qiáng)，易受溫度影響，不耐用，且難以控制交聯(lián)條件。

1.2靜電相互作用

自發(fā)的物理凝膠作用取決于螯合或靜電相互作用。天然大分子結(jié)構(gòu)復(fù)雜，根據(jù)主鏈的長(zhǎng)短會(huì)產(chǎn)生不同程度的靜電作用，見圖2B。盡管許多天然聚合物(如海藻酸鈉)在中性條件下由于羧基的存在而帶負(fù)電，但當(dāng)氨基占主導(dǎo)地位時(shí)(如明膠和殼聚糖)也可能帶正電。相比之下，有些合成電解質(zhì)能更好地控制靜電性能，比如聚賴氨酸(PLL)/丙烯酸樹脂(PAA)對(duì)。海藻酸鹽由甘露糖醛酸鹽和葡萄糖醛酸單體組成，帶負(fù)電，可與其他分子的陽(yáng)離子基團(tuán)發(fā)生靜電結(jié)合，形成水凝膠。大多海藻酸鈉凝膠優(yōu)勢(shì)在于納米多孔性和天然的親水性，使得裝載的小分子藥物快速擴(kuò)散。若改變交聯(lián)和凝膠藥物鍵的形成，則可延長(zhǎng)藥物釋放時(shí)間。

分子間電荷的相互作用大小會(huì)直接影響藥物的釋放速度。Yu等［12］以乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、3-(丙烯酰胺基)苯硼酸(3APBA)、(二甲氨基)丙烯酸乙酯(DMAEA)為單體，通過原位光聚合方法與胰島素混合制備得葡萄糖響應(yīng)性微針(GＲ-MN)，當(dāng)GＲ-MN暴露于高血糖條件下時(shí)，PBA與葡萄糖發(fā)生可逆反應(yīng)，生成環(huán)硼酸酯，增加聚合物基質(zhì)中的負(fù)電荷，增強(qiáng)微針的膨脹，引發(fā)微針裝載的胰島素快速擴(kuò)散到皮膚組織中。同時(shí)，負(fù)電荷密度的增加也減弱了帶正電荷DMAEA分子與帶負(fù)電荷胰島素分子之間的靜電相互作用，進(jìn)一步促進(jìn)了胰島素的釋放。同一課題組的Wang等［13］也充分利用了聚合物與胰島素分子之間的靜電相互作用調(diào)整正電荷組與PBA的比值，使復(fù)合物在正常血糖條件下抑制胰島素釋放，在高血糖條件下促進(jìn)胰島素釋放。靜電交聯(lián)方式制備的水凝膠最大優(yōu)勢(shì)在于達(dá)到對(duì)藥物的可控釋放，但載藥量較少，需要持續(xù)釋藥方可達(dá)到可觀的治療效果，還有可能給患者帶來疼痛感。

1.3化學(xué)交聯(lián)

與物理交聯(lián)相比，化學(xué)交聯(lián)在穩(wěn)定水凝膠基質(zhì)方面效果更好，在凝膠化過程中大大提高了靈活度和時(shí)空精度，見圖2C。傳統(tǒng)化學(xué)交聯(lián)機(jī)制包括縮合反應(yīng)、自由基聚合和醛互補(bǔ)等［14］。在細(xì)胞中可直接發(fā)生生物合成和水凝膠的形成，如疊氮化合物炔和疊氮二烷基環(huán)加成反應(yīng)以及硫烯光電耦合反應(yīng)［15］。

Snchez-Tllez等［16］展示了一種新的無機(jī)交聯(lián)方法，把透明質(zhì)酸鈉(HA)與氨基硅烷進(jìn)行化學(xué)修飾，后與有機(jī)-無機(jī)硅氧烷結(jié)構(gòu)交聯(lián)合成3D雜化水凝膠，新型無機(jī)交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為HA提供了強(qiáng)化學(xué)鍵，限制了其天然親水性和改善了流變性能。交聯(lián)機(jī)制的轉(zhuǎn)變賦予水凝膠新的特性，有利于兩種或兩種以上交聯(lián)方式的合并，開發(fā)出應(yīng)用更加廣泛的水凝膠。Wang等［17］選擇彈性蛋白樣蛋白(ELP)氨基酸序列來實(shí)現(xiàn)位點(diǎn)特異性的化學(xué)交聯(lián)和熱響應(yīng)性的物理自組裝，同時(shí)控制化學(xué)交聯(lián)程度，在不改變ELP氨基酸序列的情況下調(diào)節(jié)材料的微觀結(jié)構(gòu)，制備了三維微結(jié)構(gòu)水凝膠。相對(duì)于物理交聯(lián)和靜電交聯(lián)，化學(xué)交聯(lián)的生物相容性和安全性低，無法實(shí)現(xiàn)循環(huán)利用。

盡管每種凝膠化方法都有其優(yōu)點(diǎn)和局限性，但該領(lǐng)域一直向結(jié)合多種組分和/或機(jī)制以實(shí)現(xiàn)改進(jìn)水凝膠配方的方向發(fā)展，使得水凝膠微針具有多種釋藥方式，通過水凝膠纖維交聯(lián)密度調(diào)節(jié)藥物遞送速率，實(shí)現(xiàn)更好的經(jīng)皮給藥效果。

1.4水凝膠微針的制備

水凝膠微針具有多種制備方法，隨著水凝膠材料及交聯(lián)機(jī)制的不同而發(fā)生變化。其制備材料包括天然高分子(如透明質(zhì)酸、明膠、瓊脂等)與合成高分子(如聚乙烯醇、聚丙烯酸鈉、甲基丙烯酸類聚合物等)，分子間可通過物理交聯(lián)、靜電相互作用或者化學(xué)交聯(lián)形成水凝膠，最后通過模板法制備得水凝膠微針。天然高分子可經(jīng)過化學(xué)活性部分改性，在其主鏈上提供交聯(lián)位點(diǎn)。Luo等［18］利用甲基丙烯酸基團(tuán)對(duì)透明質(zhì)酸和明膠的改性，在紫外光條件下自發(fā)形成水凝膠微針。合成高分子卻是經(jīng)過相變交聯(lián)形成水凝膠微針。Yang等［19］制備一種胰島素和聚乙烯醇混合溶液，隨后將其注入微針模具上，通過真空干燥、冷凍及解凍，最后脫模并干燥，得到相變水凝膠微針。這些制備方法賦予水凝膠微針一定的機(jī)械強(qiáng)度，可穿透皮膚的角質(zhì)層，直達(dá)病變部位進(jìn)行藥物的可控定位釋放。

2、水凝膠微針的國(guó)外應(yīng)用研究

水凝膠微針在疾病的診斷和治療方面研究廣泛:①診斷方面:提取皮膚間質(zhì)液，檢測(cè)人體重要的生物標(biāo)志物，如葡萄糖［21］、核酸［20，22］、蛋白質(zhì)等;②治療方面:用于腫瘤、糖尿病［23］、青光眼等。

2.1診斷方面

皮膚間質(zhì)液(interstitial fluid，ISF)存在皮膚層，屬于人體的一種體液，含有與臨床分析有關(guān)的一系列生物標(biāo)志物。近年來，微針從皮膚中提取ISF在微創(chuàng)診斷和生物傳感器方面受到越來越多的關(guān)注。微創(chuàng)技術(shù)是早期診斷癌癥、糖尿病、皮膚病等多種疾病的有效方法，主要通過從液體活檢中取樣，減少血液污染的風(fēng)險(xiǎn)，檢測(cè)無細(xì)胞核酸生物標(biāo)記物。水凝膠微針要求材料具有優(yōu)異的溶脹能力，以一種無痛和微創(chuàng)方式提取皮膚間質(zhì)液，檢測(cè)特定的生物標(biāo)志物?，F(xiàn)有的水凝膠微針以微創(chuàng)方式提取ISF需要十多分鐘才能收集足夠的體積進(jìn)行臨床分析。為縮減取樣時(shí)間，很多學(xué)者致力于研究新型水凝膠微針。Dana Al Sulaiman等［20］設(shè)計(jì)了一種海藻酸鈉-肽核酸雜交材料的微針，見圖3，在2 min內(nèi)取樣6.50μL液體，分離和檢測(cè)皮膚間質(zhì)液中核酸生物標(biāo)記物的特異性序列，同時(shí)使捕獲的miＲNA能夠被原位檢測(cè)。克服了以往微針低采樣容量(小于2μL)和長(zhǎng)采樣時(shí)間(大于1 h)的缺點(diǎn)。Zheng等［24］介紹了一種滲透壓驅(qū)動(dòng)的水凝膠微針，由滲透質(zhì)(麥芽糖)和水凝膠(甲基丙烯酸)組成。在提取過程中，滲透壓細(xì)胞溶解在基質(zhì)中，并提供滲透壓，增加ISF從皮膚到水凝膠基質(zhì)的擴(kuò)散。結(jié)果顯示，3 min內(nèi)從離體豬皮中提取7.90μL ISF，從活體小鼠皮中提取3.82μLISF，而對(duì)照組(即不含滲透壓細(xì)胞的水凝膠微針頭)需要10min以上才能達(dá)到類似的效果。提取出的ISF可以定量生物標(biāo)記物，如葡萄糖和萬古霉素［25］，同時(shí)釋放一定量的治療藥物，如胰島素。通過與電子葡萄糖傳感器的集成，整個(gè)系統(tǒng)可以直接、快速地分析提取葡萄糖。這種檢測(cè)方式便于檢測(cè)患者體內(nèi)的靶分子，為糖尿病患者的治療提供理論依據(jù)。Chen等［23］制備了一種無電子、無酶、無納米顆粒的智能人造皮膚胰腺———微針貼片，由葡萄糖敏感的硼酸鹽水凝膠和生物相容性絲素半穿透網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成，模擬胰腺功能，在水環(huán)境下至少穩(wěn)定2個(gè)月，以一種安全、經(jīng)濟(jì)有效、便利的方式實(shí)現(xiàn)了按需胰島素給藥，給予患者急性和持續(xù)的血糖控制。不同于Chen的設(shè)計(jì)，He等［21］研制了一種聚乙烯醇(PVA)和殼聚糖(CS)水凝膠微針，用于護(hù)理點(diǎn)測(cè)試(POCT)。PVA/CS水凝膠微針干燥后機(jī)械強(qiáng)度增強(qiáng)，有利于穿刺皮膚，并且水凝膠具有多孔微觀結(jié)構(gòu)，為提取ISF提供了良好的溶解度，PVA的熱降解性能有助于提高取樣速率，最后在1 d內(nèi)檢測(cè)兔皮膚中葡萄糖水平，為基于皮膚的POCT提供了一個(gè)更大的發(fā)展平臺(tái)。

循環(huán)細(xì)胞外囊泡的生物分子，例如蛋白質(zhì)和核酸，能直接反映與疾病有關(guān)的更深層信息［26］。Yang等［22］介紹了一種水凝膠微針貼片，可在15 min左右從ISF中快速、簡(jiǎn)便地捕獲EB病毒無細(xì)胞DNA(EBV-Cf-DNA)。體內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，EBV-DNA是從鼻咽癌細(xì)胞瘤中釋放出來，最大捕獲效率為93.6%。根據(jù)捕獲效率，可以判斷Cf-DNA相關(guān)疾病和對(duì)癌癥轉(zhuǎn)移患者具有廣泛的微創(chuàng)意義，有助于未來制定后續(xù)的癌癥治療方案。

2.2治療方面

以水凝膠為基礎(chǔ)的藥物遞送系統(tǒng)治療范圍已擴(kuò)展至多個(gè)醫(yī)藥領(lǐng)域，例如治療心血管疾病、癌癥和慢性疼痛等。水凝膠微針一般由疏水性聚合物經(jīng)過物理或化學(xué)交聯(lián)形成網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，大多具有生物相容性和可生物降解性，作為難溶性藥物傳遞的多功能平臺(tái)。聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的交聯(lián)度可以調(diào)節(jié)網(wǎng)孔大小和孔隙率，從而進(jìn)一步改變水凝膠的機(jī)械和藥物釋放性能，可實(shí)現(xiàn)快速高劑量釋放或緩慢受控劑量釋放。

2.2.1腫瘤的治療

腫瘤的治療方法包括手術(shù)切除、藥物化療和放射治療等，手術(shù)切除對(duì)患者的傷害極大，且存在容易復(fù)發(fā)的風(fēng)險(xiǎn)。藥物化療會(huì)給患者帶來巨大的疼痛感和精神壓力，且易產(chǎn)生嚴(yán)重的副作用和癌細(xì)胞的耐藥性。給藥方式有注射、口服給藥等多種全身給藥方式，導(dǎo)致藥物生物利用度低，也帶來很多不良反應(yīng)。與全身給藥相比，局部給藥在淺表腫瘤中顯示出明顯的優(yōu)勢(shì)，可以提高生物利用度，避免與全身暴露相關(guān)的非靶向效應(yīng)。水凝膠微針作為新一代透皮給藥方式，能克服皮膚角質(zhì)層的障礙，為藥物的有效滲透創(chuàng)造一系列微通道。

甲基丙烯酸酯基團(tuán)與天然聚合物明膠可自發(fā)交聯(lián)形成水凝膠(GelMA)。Luo等［18］已經(jīng)證明明膠-甲基丙烯酰(GelMA)可用于制備具有理想釋放曲線的微針陣列和水溶性藥物的遞送。同一課題組的Zhou等［27］將兩親性環(huán)糊精(βCD)修飾凝膠側(cè)鏈，得到的肽-糖雜化材料作為水不溶性藥物的載體，同時(shí)捕獲小分子并形成包合物，作者首次設(shè)計(jì)了一個(gè)三維皮膚癌篩查模型，將黑色素瘤細(xì)胞B16F10球狀體嵌入水凝膠微針中，微針能夠穿透細(xì)胞外基質(zhì)并有效地將治療藥物輸送到靶點(diǎn)。通過比較球體對(duì)GelMA-β-CD/CUＲ(姜黃素)非透皮貼片的反應(yīng)來評(píng)估微針的療效，結(jié)果顯示，Gel-βCD/CUＲ-MN貼片治療能更有效地抑制黑色素瘤球體生長(zhǎng)。GelMA和β-CD這2種材料在改善親油性化合物的遞送和開發(fā)親水性和疏水性藥物的組合療法方面具有巨大潛力，可用于以微創(chuàng)方式治療各種疾病。

表皮和真皮中富含抗原呈遞細(xì)胞(APCs)和朗格漢斯細(xì)胞，皮膚組織中的天然免疫微環(huán)境能與運(yùn)送的藥物協(xié)同發(fā)揮治療效果。水凝膠微針作為抗程序性死亡受體(PD1)抗體與其他檢查點(diǎn)抑制劑的載體，可用于黑色素瘤免疫治療。Chen等［28］構(gòu)建一種核-殼結(jié)構(gòu)微針(CS-MNs)陣列，見圖4，以可降解的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和聚乙烯醇(PVA)交聯(lián)形成的凝膠為核心，負(fù)載1-甲基色氨酸(1-MT)采用吲哚菁綠(ICG)納米顆粒沉積在微針殼上的方法制備了CS-MNs。微針插入腫瘤部位后，吸收組織液溶解，隨后釋放ICG-NPs和1-MT，經(jīng)近紅外照射后，ICG-NPs有效地將近紅外光能轉(zhuǎn)化為熱消融原發(fā)腫瘤，生成腫瘤相關(guān)抗原和損傷相關(guān)分子模式(DAMPs)，促進(jìn)了樹突狀細(xì)胞的成熟和免疫刺激性細(xì)胞因子的分泌。釋放出的1-MT逆轉(zhuǎn)了吲哚胺2，3-雙加氧酶介導(dǎo)的免疫抑制，最終引起有效的系統(tǒng)免疫應(yīng)答。體內(nèi)結(jié)果顯示，80%的黑色素瘤被根除，最后在超過120 d內(nèi)無復(fù)發(fā)存活。微針作為免疫原性細(xì)胞死亡(ICD)誘導(dǎo)劑和免疫治療劑的載體具有獨(dú)特的優(yōu)勢(shì):①通過將載藥針尖嵌入淺表腫瘤大大提高了ICD誘導(dǎo)劑在損傷部位的積累;②通過設(shè)計(jì)良好的陣列結(jié)構(gòu)，提供空間可控的藥物分布和滲透;③豐富的免疫增強(qiáng)劑有助于提呈抗原，增強(qiáng)了免疫應(yīng)答。

水凝膠微針可用于小分子經(jīng)皮給藥，提高藥物的生物利用度。Huang等［29］合成了光交聯(lián)的甲基丙烯酸右旋糖酐(DexMA)，以此為原材料，構(gòu)建一種針尖負(fù)載阿霉素(DOX)和曲馬替尼(Tra)的新型微針，能成功穿透表皮層，實(shí)現(xiàn)藥物的緩釋。Tra還可以逆轉(zhuǎn)P-糖蛋白介導(dǎo)的多藥耐藥，有效阻斷P-糖蛋白對(duì)DOX的外排。結(jié)果顯示了同時(shí)釋放Tra和DOX，在B16細(xì)胞異種移植裸鼠模型中達(dá)到協(xié)同作用。這種新型微針的優(yōu)勢(shì)在于藥物的可控釋放，進(jìn)而避免藥物帶來的不良反應(yīng)。

2.2.2糖尿病的治療

糖尿病是最常見的慢性病之一，其血糖水平難以控制。患者需要每天檢測(cè)血糖水平，并定期注射胰島素或服藥以持續(xù)控制血糖水平。然而，反復(fù)采血和注射胰島素會(huì)給患者帶來巨大的疼痛和壓力。胰島素過量會(huì)導(dǎo)致癲癇發(fā)作、意識(shí)喪失、甚至死亡。水凝膠微針的檢測(cè)能達(dá)到無痛取樣的效果，控制胰島素的釋放。Chen等［30］利用生物相容性絲素蛋白(SF)和苯基硼酸/丙烯酰胺制備得智能水凝膠微針，見圖5，SF作為微針基底層，葡萄糖響應(yīng)性水凝膠形成針尖層，微針穿透皮膚后，遇到葡萄糖濃度升高時(shí)，自主釋放胰島素，控制血糖濃度。這種水凝膠微針在水體系中放置一周后仍保持原來的針型，解決了微針溶解在皮膚內(nèi)的安全性問題，為持續(xù)釋藥提供了機(jī)會(huì)。

Wang等［31］采用另一種方式調(diào)節(jié)血糖水平，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種核-殼結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇(PVA)凝膠微針，以葡萄糖氧化酶(GOx)為核心，外殼嵌入過氧化氫酶(CAT)，對(duì)升高的血糖濃度具有響應(yīng)性。為實(shí)現(xiàn)對(duì)H2 O2敏感的胰島素釋放，以4-硝基苯基4-(4，4，5，5-四甲基-1，3，2-二氧雜醇-2yl)碳酸芐酯(胰島素NBC)對(duì)胰島素進(jìn)行化學(xué)修飾，然后裝載到水溶性PVA基質(zhì)上。當(dāng)微針暴露于高糖濃度下，能產(chǎn)生局部高水平H2O2，胰島素NBC被氧化和水解，導(dǎo)致游離胰島素的快速釋放，控制血糖濃度。該核-殼結(jié)構(gòu)微針主要以生理因子控制的方式為經(jīng)皮給藥提供了一種無痛新技術(shù)，提高了生物相容性。

2.2.3其他疾病的治療

類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎是一種涉及多個(gè)關(guān)節(jié)的系統(tǒng)性疾病，病因和發(fā)病機(jī)制極為復(fù)雜，發(fā)病部位涉及多個(gè)關(guān)節(jié)，早期的藥物治療方式多為口服，但長(zhǎng)期服用抗風(fēng)濕病藥物會(huì)出現(xiàn)明顯的毒副作用，最后導(dǎo)致臨床療效逐漸下降，使患者的病情無法得到有效的控制。在臨床環(huán)境中通過局部注射一定劑量的藥物不僅需要專業(yè)的操作，還可能帶來關(guān)節(jié)損傷和感染的風(fēng)險(xiǎn)。水凝膠微針可作為藥物、蛋白抑制劑的載體，穿透皮膚的角質(zhì)層，遞送靶向治療藥物或蛋白抑制劑，減輕藥物對(duì)胃腸道的不良反應(yīng)。

Cao等［32］研究了一種透明質(zhì)酸水凝膠微針遞送化學(xué)修飾的適體用于類風(fēng)濕性關(guān)節(jié)炎的治療。作者首先利用核糖糖單元上的甲氧基和反向脫氧胸苷DTA4修飾DTA(一種阻斷DEK蛋白的核酸適體)，后用膽固醇在其5'端修飾DTA4，形成DTA6，裝載于甲基丙烯酸酯改性的透明質(zhì)酸水凝膠微針，通過穿刺皮膚，快速釋放DTA6進(jìn)入真皮。結(jié)果顯示，DTA6顯著降低炎癥ＲAW264.7細(xì)胞的DEK表達(dá)，保護(hù)小鼠關(guān)節(jié)免受軟骨/骨侵蝕。相對(duì)于可溶性微針的給藥方式，水凝膠微針不僅可增加核酸適體填充到微針模具空腔的裝載量，還可以通過調(diào)節(jié)適體溶液的濃度來控制水凝膠微針的負(fù)載量，避免了制備過程適體的浪費(fèi)和損失，見圖6。

也有研究表明水凝膠微針可用于青光眼的治療。青光眼目前的治療方法主要通過藥物或手術(shù)來降低眼壓，因此難以避免藥物及術(shù)后帶來的副作用。CHAE等［33］利用微針注射原位形成的水凝膠來擴(kuò)大眼睛的脈絡(luò)膜上腔，增加眼房水排出，從而降低眼壓達(dá)到治療青光眼的目的。這種新型治療方式有可能成為一種新的、非手術(shù)的、無藥物的治療方法，為青光眼的治療開辟了新途徑。

3、水凝膠微針的國(guó)內(nèi)應(yīng)用研究

目前國(guó)內(nèi)針對(duì)水凝膠微針的研究較少，主要集中于促進(jìn)疏水性藥物的經(jīng)皮吸收。董曉陶等［34］以聚乙烯醇為原材料，制備一種相轉(zhuǎn)化水凝膠微針，采用浸泡吸附法裝載蛋白藥物。體外釋放結(jié)果驗(yàn)證了水凝膠微針可促進(jìn)蛋白藥物的快速釋放。此方法用于生物類大分子的載藥研究，適合快速釋藥的情況。也有一些研究者驗(yàn)證了水凝膠微針可促進(jìn)中藥某些難溶性成分的透皮吸收，比如熊果苷［35］、青藤水堿［36］等，但驗(yàn)證方法只是采用了Franz擴(kuò)散池和動(dòng)物皮膚釋放實(shí)驗(yàn)，缺少進(jìn)行動(dòng)物體內(nèi)的藥效研究，若后期加大水凝膠微針關(guān)于中藥難溶性藥物的體內(nèi)藥效驗(yàn)證，相信水凝膠微針在中-西藥聯(lián)用治療腫瘤、糖尿病、骨關(guān)節(jié)炎等疾病具有一定的潛力。

4、水凝膠微針存在的問題分析

水凝膠微針分為溶解微針和可降解微針，具有一定的機(jī)械強(qiáng)度穿透皮膚，起到診斷或治療的目的。與非水凝膠技術(shù)相比，水凝膠微針技術(shù)具有更大的應(yīng)用前景，但也存在一些待解決的問題。

4.1生物安全性的問題

溶解或可降解微針采取經(jīng)皮給藥的方法，其針頭很大一部分基質(zhì)在皮膚中溶解，很多研究者［18，27-29］往往會(huì)忽略基質(zhì)溶解在皮膚后的去向或缺乏進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證基質(zhì)對(duì)皮膚的安全性。這一類微針不適用于每日給藥，若每天或短時(shí)間內(nèi)通過微針給藥，基質(zhì)在皮膚中的停滯時(shí)間會(huì)增加患者的依從性或者其他潛在的副作用。

水凝膠微針的制備條件也存在一定的安全性問題:①溶脹性凝膠材料普遍需要紫外光照射［29］或者高溫加熱等條件引發(fā)交聯(lián)，這些劇烈的制備條件阻礙了蛋白質(zhì)、核酸等易發(fā)生變性的生物大分子類藥物遞送。②在制備過程中常用的有機(jī)溶劑如四氫呋喃、氯仿、二甲基亞砜等可能在微針中存在溶劑殘留，在使用后可能對(duì)患者的皮膚產(chǎn)生刺激性，帶來一定的安全隱患。

因此，為了加快微針的臨床應(yīng)用，應(yīng)該要從制備材料、物理治療及藥物治療對(duì)健康組織毒性等方面的安全性問題進(jìn)行系統(tǒng)評(píng)估。另外，探究微針在皮膚內(nèi)溶解釋放后藥物釋放分布動(dòng)力學(xué)以及針體材料與藥物相互作用后的釋放性能和體內(nèi)分布也具有一定的重要意義。

4.2微針自身存在的問題

水凝膠微針植入皮膚的深度、表面均勻性、穩(wěn)定性等因素與患者的年齡、體重、微針穿刺皮膚的力度大小有關(guān)。老年人患者與兒童患者所能承受的力度較小，對(duì)微針制備材料的敏感性、針體高度、針尖直徑、載藥量等具有較高的要求。微針穿刺皮膚后在皮膚中的停留時(shí)間對(duì)藥物釋放量、藥物種類也缺乏一個(gè)具體有效的評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)。微針的載藥量小，需連續(xù)給藥，才有可能達(dá)到藥物的有效濃度，如何制定微針的載藥量標(biāo)準(zhǔn)，后期還需加大研究力度?，F(xiàn)在大部分種類微針的制備都無法滿足上述因素，因此難以進(jìn)入臨床研究階段。

5、結(jié)論與展望

目前，水凝膠微針材料層出不窮，微針性能日漸完善，并在臨床上取得了一定的成功，比如用于監(jiān)測(cè)ISF葡萄糖微針傳感器已經(jīng)上市銷售，見表1。

水凝膠微針作為一種新型的透皮給藥方式，在透皮藥物遞送和生物診斷方面的研究日益增加，主要集中在生物診斷、腫瘤及糖尿病的治療方面，其最大優(yōu)勢(shì)在于對(duì)藥物的可控釋放及原病變部位的定點(diǎn)釋放，可通過調(diào)節(jié)遞送藥物的濃度來控制安全范圍內(nèi)的用藥分量。此外，通過對(duì)水凝膠微針的制備材料進(jìn)行一定的功能修飾，比如一些光熱材料(金納米棒、普魯士藍(lán)、吲哚菁綠等)，光敏劑(原卟啉、鈦菁鋅、二氧化鈦等)，賦予水凝膠微針產(chǎn)生對(duì)外源刺激(溫度、磁場(chǎng)、光等變化)或內(nèi)源性刺激(pH、酶、氧化還原梯度等變化)的功能，同時(shí)結(jié)合遞送的藥物分子、抗體、核酸等，能達(dá)到對(duì)疾病靶向治療的目的。然而目前水凝膠微針在關(guān)節(jié)炎、眼部疾病方面的研究較少，后期研究者可以加強(qiáng)這一方面的研究力度。當(dāng)然針對(duì)水凝膠微針生物安全性和自身存在的問題，若能克服這些挑戰(zhàn)，相信微針的智能化、便攜化是大勢(shì)所趨，診斷治療一體化微針技術(shù)及可穿戴微針等將是微針領(lǐng)域未來的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

詳見中國(guó)藥學(xué)雜志2021年6月第56卷第12期