微針技術應用研究現狀

　　摘 要：微針是通過微制造加工獲得的一種針狀體，單個針體尺寸為微米級，多個針體組成微針陣列，能夠穿透皮膚角質層直達真皮層，在研發初期主要用于藥物遞送。與口服給藥相比，微針能避開消化系統對藥物的代謝作用;與注射針頭相比，微針能夠有效減小患者疼痛感，提高患者依從性。此外，微針技術因為其便捷的透皮作用方式，在疫苗接種、組織液提取、生物標志物檢測、醫療美容等領域的應用也被廣泛開發。微針的制作材料有硅，不銹鋼及生物降解材料，如透明質酸、聚乳酸等;從給藥方式上可分為固體、包被、溶解、空心以及水凝膠等多種微針類型。本綜述結合近年來微針技術相關進展，簡要概述微針的制造材料及作用形式，重點介紹微針在藥物遞送，疫苗接種及組織液提取和生物標志物檢測領域的應用，探討微針的機械強度、生物安全性、無菌化處理及穩定性等對其在市場上推廣應用的影響，并對其未來發展進行展望。要 點：(1) 微針技術是一種微創、便捷而精確有效的先進醫療技術。(2) 微針由金屬、玻璃、硅、陶瓷、不銹鋼或生物降解材料等多種材料制備而成。(3) 根據作用模式，微針包括固體、包被、溶解、空心和水凝膠微針五種類型。(4) 微針技術廣泛應用于藥物遞送、疫苗接種、組織液提取以及生物標志物檢測等領域。

　　關鍵詞：微針;透皮技術;工作原理;醫學應用;未來發展

　　1 前 言

　　微針是通過微制造加工而成的一種針狀體，針頭直徑多為幾十微米，長度一般為幾十微米至幾毫米，多以單針體或多針體陣列形式存在。微針可進行皮膚穿刺，因其微創，便捷，而又精確有效的作用模式，已廣泛用于藥物遞送、疫苗接種、組織液提取、生物標志物檢測等。以藥物遞送為例，微針可穿透皮膚角質層直達真皮層，形成微米尺寸給藥通道，使藥物遞送更精準快速、劑量更穩定。相比口服給藥，微針能避開消化系統對藥物的代謝;相比肌肉注射，微針能減少疼痛，提高依從性。因此，微針作為一種新興透皮技術在醫療領域具有廣闊發展前景。

　　微針可由金屬、玻璃、硅、陶瓷、不銹鋼或生物降解材料(如透明質酸、聚乳酸)等，通過蝕刻[1-3]、激光切割模具[4]、金屬電鍍[5]、光刻[6]等技術制備而得;按透皮作用方式，主要分為五類：固體微針、包被微針、溶解微針、空心微針、水凝膠微針。該技術最早出現于 1976 年[7]，但由于微加工技術的匱乏，直到20世紀90年代才得以推廣。據中國知網以及 web of Science的文獻檢索分析，微針技術相關研究在近二十年來發表文章數逐年升高，十分具有發展前景。 本文對近年來具有代表性的微針研究進行梳理歸納，簡要概述微針的透皮作用方式及制作材料，重點歸納微針的應用研究現狀，并對微針技術及應用中可能存在的問題進行探討，對未來發展方向進行展望。

　　2 微針分類

　　當前，根據微針透皮給藥的作用方式，可將微針分為五類：固體微針、包被微針、溶解微針、空心微針和水凝膠微針，下面簡要介紹這五類微針的制備材質及作用方式，并討論不同微針的優缺點。

　　固體微針的作用主要是增強皮膚滲透性[8,9]，需要制作材料具有足夠的韌性，通常由硅[1,10]、陶瓷[11]、不銹鋼[12]、鈦[13,14]、鉭[15]、玻璃[16]等制備而得。固體微針穿透皮膚角質層后留下微小孔洞，再在皮膚表面涂覆藥物;藥物經小孔進入皮膚，達到局部作用效果，或是經毛細血管吸收，達到全身給藥的效果[17]。包被微針可將不銹鋼[18]、鈦[19]、硅[20]、陶瓷[21]、聚碳酸酯[22]、聚乳酸[23]等經微加工制備而得，且其表面被藥物包被，待微針穿透角質層后，藥物從微針進入皮膚，給藥完成后再將微針去除。溶解微針是將包裹有藥物的可降解性聚合物經微加工技術制作成微針，當其作用于皮膚時，可降解聚合物會在皮膚組織中溶解，釋放出包裹的藥物，其制造材料有透明質酸[24,25]、殼聚糖[26]、聚乙烯吡咯烷酮[27]、硫酸軟骨素[28]明膠和淀粉[29]等。

　　空心微針是具有中空通道的微針，作用于皮膚后用于藥物輸送，也可以用于組織液提取，制造材料有聚乳酸[30]、硅[31]、金屬[32]、二氧化硅[33]。水凝膠微針是通過微加工技術將包裹有藥物的水凝膠制成微針，在進入皮膚后，水凝膠與組織液混合后溶脹釋放出其包裹的藥物，待給藥完成后去除微針。水凝膠微針的制造材料有透明質酸-丙烯酸甲酯共聚物(HA-MA)[34,35]、聚丙烯酸-馬來酸共聚物和聚乙烯醇(PAMA/PVA)[36]等。由于作用方式的差異，不同微針的制作材料和使用要求也不同：

　　1.在機械性能上，固體微針和包被微針的性能較好，空心微針，溶解微針和水凝膠微針的性能較差，且穩定性欠佳。

　　2.在生物相容性上，固體微針，包被微針和空心微針作用于皮膚一段時間后會拔出，因此對材料的生物形容性要求較低，如若意外斷裂在皮膚內，會產生一定風險;而溶解微針和水凝膠微針，其制造材料均需具有較好的生物相容性，尤其是溶解微針，其針體需斷裂且留在體內被完全吸收，對制作材料的生物安全性有更高的要求。

　　3.在加工工藝方面，固體微針和包被微針的制作工藝最為簡單，而溶解微針和水凝膠微針需要保持微針的韌性又要具有生物相容性制作工藝相對復雜，空心微針兼具微針和中空結構對制作材質和工藝都提出更高的要求，加工最為困難。4.在使用方面，固體微針的使用方式較為繁瑣，需微針刺孔結合藥物涂覆;包被微針使用簡便，但礙于其微針上涂層的厚度有限，其遞送量較小，而且涂層還有脫落的可能;溶解微針和水凝膠微針的使用簡單，它們還可以通過添加功能性納米顆粒等藥物釋放觸發裝置，實現對藥物或生物制劑釋放動力學的控制;空心微針的使用往往需要伴隨一個外加裝置進行抽吸或是輸送，能夠速率可控地遞送藥物且支持大劑量輸送，優勢十分明顯。此外，空心微針和水凝膠微針均可用于間質液的提取。綜上，在具體應用中，可根據操作目的決定微針種類，并根據具體需求選擇制作材質。

　　3 微針應用技術

　　微針技術作為一種新型透皮技術，具有患者依從性好、可控性強、藥物輸送精確有效等特點，在醫療領域的應用被廣泛挖掘。微針技術在藥物遞送、促進傷口愈合、疫苗接種、組織液提取、生物標志物檢測和醫療美容(圖8)等方面顯示出良好的應用前景。

　　3.1 藥物遞送

　　3.1.1 微針遞送胰島素糖尿病，幾乎無法根治，常規治療手段是注射胰島素，是當今的醫療難題之一。然而，胰島素作為一種蛋白類激素，口服會導致其被消化液降解失去功能，只能通過注射給藥，而注射導致的疼痛以及針頭恐懼癥的存在會使患者依從性變差。在這種情況下，微針技術的無痛透皮給藥提供了治療新途徑[37]。研究人員采用缺氧敏感的透明質酸(HS-HA)與2-硝基咪唑通過共軛自組裝得到包含有胰島素和葡萄糖氧化酶的反應型囊泡，并將其添加至微針中。在糖尿病患者高血糖情況下，葡萄糖氧化酶在氧氣存在下氧化葡萄糖引起局部缺氧，使得HS-HA被還原，引發囊泡的解離并釋放胰島素，達到智能調控血糖的作用[38]。類似的研究思路還有使用明膠和淀粉物理混合后作為材料制作溶解微針貼片，在其針體中封裝高胰島素負載的金納米簇(AuNC)納米載體藥物，使得微針具有葡萄糖反應性的胰島素釋放機制。在進入皮膚內受到葡萄糖刺激后，金納米簇藥物載體會分解釋放其中的胰島素，從而使血糖水平下降。實驗中通過微針貼片在小鼠背部的應用，使1型糖尿病小鼠的癥狀得到了有效緩解，并能控制其1-2天內的血糖維持在正常范圍[29]。

　　3.1.2 微針遞送抗腫瘤藥物癌癥是當前致死率極高的疾病之一，常規的化療手段，患者不僅痛苦而且會破壞全身細胞，造成不可逆損傷，因此十分有必要尋找一種新型的用于定點清除腫瘤細胞的方式。近期，Wang及其團隊開發了具有抗腫瘤特性的微針貼片。微針由生物相容性好的透明質酸和對pH敏感的葡聚糖納米顆粒組裝而成，并在葡聚糖納米顆粒中加入了anti-PD1抗體和葡萄糖氧化酶。當微針貼片插入皮膚后，血液中的葡萄糖會被貼片中的葡萄糖氧化酶轉化成葡萄糖酸，酸性環境導致葡聚糖納米顆粒解離，從而引發anti-PD1大量釋放，使T細胞免于凋亡保留活性，并殺死腫瘤細胞，達到抗腫瘤的效果。研究者以患皮膚黑色素瘤的小鼠作為模型，比較了可降解微針貼片、無降解觸發器的微針貼片、注射相同劑量游離anti-PD1抗體對腫瘤的免疫治療效果。結果表明，可降解微針貼片的療效最好[39]。

　　近期，Chen研究團隊將冷氣氛等離子體(CAP)介導的免疫檢查點阻斷劑(ICB)療法與微針技術相結合，使用空心微針運輸CAP，使腫瘤細胞死亡，隨后腫瘤相關抗原經過一系列級聯反應后啟動T細胞介導的免疫反應，同時微針針體中還會釋放出anti-PD1(一種免疫檢查點抑制劑)，進一步增強抗腫瘤的免疫力[40]。這些實驗都體現了微針在抗腫瘤免疫療法中的潛力，其高效的運輸效率和準確的作用位置，有望取代部分全身輸藥的腫瘤治療方式。

　　3.1.3 微針遞送避孕激素因避孕措施不到位導致的意外懷孕人數眾多，采取安全且有效的避孕方式是重中之重。當下，主流的避孕方式有口服短效避孕藥，皮下埋植避孕激素等。微針技術為新型避孕方式提供了可能。Li和其研究團隊，以生物可降解的聚乳酸和聚乳酸-乙醇酸包埋左炔諾孕酮用于避孕激素在體內的持續釋放。小鼠實驗表明，該溶解微針韌性好可穿透皮膚，待進入皮膚五秒鐘后微針在剪切力作用下發生斷裂，留在皮膚中繼續生效，可使血漿激素濃度在一個月內滿足人體避孕所需水平[41]。該研究給予了一種可能普及的避孕技術，通過每月自主使用微針貼片，達到避孕效果，不需要按時口服避孕激素或皮下埋植避孕，能夠很大程度上減少漏服藥物的風險，減少對皮下埋植的恐懼。

　　3.2 利于傷口愈合的微針貼片當皮膚破損出現傷口時，細菌、病毒等病原體通過傷口進入人體內，會導致發燒甚至危及生命。因此，加速傷口愈合、避免傷口感染是一直是醫學研究熱點。Chi及其研究團隊采用生物質殼聚糖合成了微針陣列貼片，能夠在抑制傷口炎癥反應的同時，促進傷口愈合。殼聚糖天然的抗菌能力，使其已經被廣泛地應用到了創口愈合的領域[42]。在藥物裝載方面，該研究團隊采用溫度敏感的水凝膠將血管內皮生長因子(VEGF)封裝在微針貼片的微孔中。當炎癥反應引起溫度上升時，微針貼片封裝的溫敏水凝膠發生溶解，藥物便從水凝膠中釋放，達到智能給藥的目的。實驗證明，該貼片能夠在傷口愈合過程中抑制炎癥反應，促進膠原蛋白沉積，還可加快血管等周圍組織的再生速度，有利于傷口愈合[42]。上述研究為微針貼片的應用提供了新思路，通過研發出類似“創可貼”的微針醫療用品，能夠更有效地向傷口處組織輸送藥物，發揮炎癥抑制作用，加快傷口愈合，有望替代創可貼的醫療位置。

　　3.3 微針用于疫苗接種微針貼片作為一種新型透皮技術，可一定程度替代傳統的針頭和注射器進行免疫接種。TIV-MNP 2015是一項在美國埃默里大學展開的Ⅰ期臨床試驗，評估了通過溶解微針貼片和常規注射手段的流感疫苗免疫以及不良事件概率。實驗從美國亞特蘭大當地社區招募了18-49歲的未懷孕、免疫功能良好的成年人，按照(1:1:1:1)的方式隨機分為四組，分別接受醫護人員使用微針貼片、自行使用微針貼片、肌肉注射等方式接種滅活流感疫苗，并以微針貼片安慰劑作對照。實驗結果表明，微針貼片及自行使用微針貼片接種滅活流感疫苗組的反應原性事件發生率相似，且大多數情況較輕。對于2級和3級反應原性事件發生率來說，肌肉注射接種滅活流感疫苗組(12%，25 名參與者中有 3 例)高于以上兩組微針貼片的總和(2%，50名參與者中有一例)。

　　同時，肌肉注射的疼痛情況較微針組更為嚴重。但以上兩組微針貼片報告的局部反應原性事件明顯多于肌肉注射組，如接種部位的瘙癢或紅斑。實驗后續通過血凝抑制實驗評價了不同接種方式的免疫效果，結果顯示，醫護人員使用微針貼片組、自我使用微針貼片組和肌肉注射組的免疫效果相似。在實驗結束后，微針貼片組的50名參與者中有48名報告沒有疼痛，占比96%，而肌肉注射的25名參與者中，僅有18名(82%)報告為無痛。[43]。該實驗體現了微針技術在疫苗接種上的潛力，在接種達到相同免疫效果的同時，微針的疼痛以及后續不良反應的情況均較輕。同時，微針技術還提供了自我接種疫苗的可能，有望投入市場，讓接種疫苗變得更輕松簡單，能夠極大程度地提高免疫人群的覆蓋面積。

　　3.4 微針用于生物標志物檢測和組織液提取實時監測人體的生物標志物水平，評估人體的生理情況，在生物、醫療領域具有十分重要地位。Anastasova及其研究團隊構建柔性微針傳感器陣列，對人體汗液進行實時測試，報告了鈉、乳酸和皮質醇的水平[44]。此外，Liu研發出基于比率熒光的微針貼片傳感器，動態監測體內炎癥情況[45]。組織液具有重要醫療和生理意義，它能夠反應局部組織生理狀態，但在臨床上缺乏簡單有效的能夠提取納升以上組織液的技術。組織液采樣的限速步驟是組織液通過真皮層傳輸到采樣器，Samant等通過空心微針和吸力驅動克服了上述問題，成功收集了人類皮膚中的組織液[46]，證明了微針貼片在組織液提取上的巨大潛力。但由于組織液其中的生物標志物難以檢出，Wang及其研究小組基于金納米棒局域表面等離子共振效應，構建了等離子態熒光團，并將其應用到了微針技術的后續檢測步驟中，檢出限降低了800倍[47]。該實驗證明了微針技術在生物標志物檢測中的潛在價值，通過與其他增強技術的結合，有可能為便捷、準確定量分析打開新的路徑。

　　3.5 微針用于醫療美容隨著年齡增長，皮膚會衰老，最明顯的表現是產生皺紋;發展新技術用于延緩皮膚衰老、美容除皺具有重要研究意義和市場價值。近期研究表明，微針技術在醫療美容上具有巨大的發展潛力。2020年，Zevzdin等報道了一項基于微針貼片的醫療美容技術[48]。研究者們發展了一種透明質酸(HA)包被阿魏酸(一種用于皮膚改善的添加劑)的可溶性微針貼片，用于82名無皮膚病、健康女性其中一側的面部眶下區域。微針貼片持續使用三周，每周兩次，每次持續25分鐘。隨后，皮膚科醫生對受試者進行盲樣評測，結合儀器測量的褶皺參數對實驗效果進行評估。專家評估顯示，與對照組相比，89.9%的受試者表皮皺紋減少，涂抹區域浮腫程度下降，78.3%的受試者皮膚彈性得到改善。儀器測試結果顯示，相比對照組，受試者皮膚平均粗糙指數和平均波紋度出現了顯著下降。

　　4 微針技術面臨的問題

　　雖然微針技術在醫療領域已經有著十分顯著的成果，有廣闊的應用前景，但在其實際投入生產應用前，還有許多問題需要解決，比如機械強度，生物安全性等等，下文中將一一介紹。

　　4.1 機械強度不同材料制造出的微針具有不同的作用方式和性能，但都存在一定缺陷，主要是生物安全性和機械強度之間的矛盾。生物相容性較好的材料往往在機械強度上略遜一籌。當前，隨著微針制造技術的迅速發展，材料的選擇范圍越來越寬，尋找最適的微針材料，制作滿足應用需求的微針，當屬重中之重。

　　4.2 生物安全性數十年來，金屬或不銹鋼材質的注射器在醫療中有著極為廣泛的應用。因此，金屬或不銹鋼微針的安全性評估相對較全。溶解微針的整個針體在作用后會斷裂留存在體內，因此對合成材料的生物安全性需要進行嚴格的評估。除此之外，微針潛在的安全隱患還包括使用處的皮膚感染。研究表明，傳統皮下注射造成感染的風險主要來自于消毒和針頭的重復使用[50]，在本綜述所列舉的文章中，皮膚感染情況并未出現。有研究者通過豬皮進行實驗，證明微針穿刺留下孔洞后造成的微生物滲透遠少于皮下針穿刺[51]。

　　4.3 無菌化處理微針雖然無痛，但其本質上與皮下注射類似，都會觸及到生物體的體液，因此微針無菌化、消毒處理非常重要。微針的消毒方式因微針材質及表面涂覆材料的穩定性等有顯著差異，比如使用聚乳酸-羥基乙酸共聚物(PLGA)制作的微針 ，其中封裝了牛血清白蛋白(BSA)，熱消毒十分鐘以內不會顯著損害其蛋白質穩定性，但超過二十分鐘則會誘導蛋白質聚集[52]。而對于以透明質酸制造的微針，顯然無法在凝膠成型后進行高溫滅菌。選用合適手段對微針進行徹底消毒、無菌化處理是微針技術在實際生產中的一大難題，尋找一種普適性的微針制造材料也許能提供解決方案。

　　4.4 穩定性

　　微針用于疫苗接種，免疫效果顯著，十分具有吸引力。然而，實際應用過程中，微針制作完成后，不能立即應用前提下，微針表面的抗原會受保存時間的影響。Kim一項研究表明，涂有滅活流感疫苗的微針貼片在一個月過后，其表面存在的抗原少了大約20%。盡管免疫接種實驗表明，微針放置一月后與新鮮制備微針在對小鼠進行預防接種后，小鼠有相似的lgG程度(lgG是一種免疫球蛋白，其水平可以反映機體免疫情況)[53]，但微針在實際應用中如何長期保持其負載的滅活病毒或其他生物物質的活性也是亟待解決的問題。

　　5 結語與展望

　　近些年來，隨著微針制造技術的不斷更新，微針技術領域越來越受人關注，相關文章的發表量也在逐年提高。微針有不同的材質滿足透皮后不同的作用方式，用于遞送藥物、疫苗接種、生物標志物檢測、組織液提取和美容醫療等生物醫療領域。在這些不同的領域中，微針技術都因為其獨特的作用途徑占據一席之地。微針能穿過角質層進行的應用極大程度上減少了疼痛，能使應用對象的舒適感和依從性得到提高。在藥物遞送方面，微針技術提供了局部給藥的新思路，它能夠使藥物分子從容自如地越過角質層這一強大的屏障，避免了消化系統對藥物效果產生的影響，也減少了對藥物分子的形態以及性質的特殊限制。微針技術在藥物遞送中的便捷性和患者依從性是其最突出的優點，其未來發展路線十分寬闊，可以開發許多緊急使用的產品，比如在急性心臟病發作的場景下，基于現有心臟病藥物開發的微針貼片可以對自救或他人救援提供一定幫助。

　　疫苗接種上，傳統方式是通過肌肉注射進行免疫，這種方式雖然十分有效，但接種過程需要專業人員進行，也會產生一定疼痛。微針貼片理想的應用將使疫苗接種的方式產生革命性改變，從統一醫療點的注射免疫，變為自行管理的微針免疫，無痛易接受，提高疫苗接種覆蓋率。在生物標志物檢測方面，通過選用合適的信號放大途徑開發出能通過宏觀變化反應生物標志物水平的微針貼片，能夠使醫療診斷變得更加輕松和便捷 ，使我們可以在物資緊缺的環境下，對患者病理情況做出更準確的判斷。

　　此外，微針技術可以集成到微流控芯片等微型電子平臺，結合到穿戴設備上，對使用者的健康情況進行實時監測，實現智能化給藥。微針技術具有廣發應用前景的同時，依舊面臨著許多問題。首先，微針材料的機械強度和生物安全性需嚴格評估。此外，不同膚色、年齡和性別的人皮膚厚度不同，在制造微針時，需考慮微針群體適用性。同時，與科研實驗不同，把微針技術真正投放市場需克服很多困難，比如批量生產問題、工業制造中的消毒問題、投入市場時微針的穩定性或有效期問題以及微針的制作成本問題等，這些都是微針投放市場必須考慮或解決的問題。

　　參考文獻：

　　[1] Henry S, McAllister D V, Allen M G, et al. Microfabricatedmicroneedles: a novel approach to transdermal drug delivery[J].Journal of Pharmaceutical Sciences, 1998,87 (8): 922–925.

　　[2] Yan G, Warner K S, Zhang J, et al. Evaluation needle length anddensity of microneedle arrays in the pretreatment of skin fortransdermal drug delivery[J]. International Journal ofPharmaceutics, 2010, 391 (1/2): 7–12.

　　[3] Choi S O, Kim Y C, Park J H, et al. An electrically activemicroneedle array for electroporation[J]. BiomedicalMicrodevices, 2010, 12 (2): 263–273.

　　[4] Davis S P, Martanto W, Allen M G, et al. Hollow metalmicroneedles for insulin delivery to diabetic rats[J]. IEEETransactions on Biomedical Engineering, 2005,52 (5): 909–915.

　　[5] Fomani A A, Mansour R R. Fabrication and characterization of theflexible neural microprobes with improved structural design[J].Sensors and Actuators A-Physical, 2011,168 (2): 233–241.

　　[6] Park J H, Yoon Y K, Choi S O, et al. Tapered conical polymermicroneedles fabricated using an integrated lens technique fortransdermal drug delivery[J]. IEEE Transactions on BiomedicalEngineering, 2007,54 (5): 903–913.

　　作者：趙思博， 鮑儀如， 謝 敏

轉載請注明來自發表學術論文網：http://www.cnzjbx.cn/jjlw/30251.html