多材料3D打印共晶凝胶微针贴剂并用于疾病诊断和按需给药
文摘
科学
2024-05-01 18:55
四川
近期，北京理工大学李欢军团队在《Journal of Controlled Release》期刊2024年第368期上发表了题为“Multi-material 3D printed eutectogel microneedle patches integrated with fast customization and tunable drug delivery”的研究论文。微针贴剂作为集成智能诊断与经皮给药的新兴制剂，广受研究人员关注。但如何借助3D打印技术，实现集个性化设计、传感功能、即时检测及精准药物释放于一体的智能微针，仍是一个待攻克的难题。本研究首次提出利用可聚合共晶溶剂作为微针制备的光固化3D打印墨水。可聚合共晶溶剂不仅具有光固化速度快的性质，而且能极高效率地溶解药物，这使得高载药量的共晶凝胶微针贴剂的快速一体化生产成为可能。通过调整多材料3D打印中可聚合共晶溶剂的配比，成功实现了既包含坚硬微针结构又兼具弹性背衬层的可拉伸共晶凝胶微针贴剂。作为概念验证，利用多材料3D打印制备出具有不同功能的智能共晶凝胶微针，分别应用于无线监测人体动态、无痛血糖测定和药物控释，从而为众多疾病的无创诊断、实时监测及治疗提供了一个高效整合的解决方案。微针贴剂作为集成智能诊断与经皮给药的新型制剂，能够有效突破皮肤屏障，实现无痛给药，展现出巨大应用潜力[1]。然而，微针传统的制造工艺工序繁复、耗时久，限制了其灵活性、扩展性及成本效益，特别是在研发初期需频繁调整微针设计以优化性能时，模具成本尤为棘手[2]。近年来，数字光处理（DLP）3D打印技术的发展为微针制造带来了新的工具。3D打印不仅提升了微针制作精度与重复性，还通过快速原型制作促进了其个性化设计探索[3]。然而，由于现有水性光固化墨水的局限性，如对难溶性及大分子药物处理能力不足，以及聚合速度慢、成分受限等问题，阻碍了其广泛应用[4]。本研究创新性地提出了一种基于可聚合共晶溶剂的新型光固化墨水方案，旨在通过多材料3D打印技术，制备兼具智能监测、比色传感及按需给药功能的共晶凝胶微针贴剂（图1）。可聚合共晶溶剂墨水以氯化胆碱（ChCl）、甲基丙烯酸羟乙酯（HEMA）及衣康酸（IA）或甘油（Gly）为组成，具备高效溶解疏水药物的能力，且凭借其强氢键作用实现快速聚合，为多尺度、多功能共晶凝胶微针结构的直接打印提供了可能。本研究首次利用可聚合共晶溶剂进行多功能微针贴剂的制备，极大地推动了个性化医疗领域的发展。![]()
图1. 多材料3D打印共晶凝胶微针并应用于无线监测，血糖测定和药物控释示意图
共晶溶剂中的氢键相互作用显著降低了引发时间，提高了光聚合速率和转化率，实现了快速3D打印（图2）。共晶溶剂还对多种疏水性药物（布洛芬、吲哚美辛、水杨酸、姜黄素和胰岛素）具有极高的溶解度，相对于其在水中的溶解度，共晶溶剂中药物溶解度分别提高了18215、11679、97、11168和105倍。这归因于共晶溶剂中的氢键、范德华力、离子-偶极和偶极-偶极相互作用。药物在共晶溶剂中以溶液形式存在，而非胶体分散。此外，光聚合过程中药物结构稳定性良好，含量保持在90%以上。通过多材料共晶凝胶设计，设计针头部分的共晶凝胶具有高刚度（最大拉伸强度41.8MPa，杨氏模量1.2GPa），而背层共晶凝胶具有高延展性（拉伸应变428%，拉伸强度1.5MPa），两者机械性能适合微针制备。FTIR、XRD和DSC表征结果显示，针头部分共晶凝胶呈无定形结构，玻璃化转变温度高于室温，热稳定性良好。背衬层共晶凝胶玻璃化转变温度较低，具有良好的柔韧性。此外，两种共晶凝胶均表现出一定的导电性，可应用于可穿戴传感器或电刺激响应释药。![]()
图2. 不同功能的共晶凝胶材料的制备及表征
可聚合共晶溶剂中的ChCl、HEMA和IA具有良好的生物相容性，可用于制备生物医用材料。多材料3D打印技术可以赋予针头和背层不同的结构和功能特性。通过调节打印参数，可实现高精度（针尖直径<20μm）、大批量生产的微针贴剂（图3）。此外，3D打印还可以制备不同形状的微针贴剂，如常规贴剂、伤口贴剂、眼贴剂以及章鱼触手状边缘，增强其贴附性。这种一步制备硬质针头和柔性背层的方法，大大提高了微针贴剂的适应性和疗效，为个性化医疗提供了新途径。在3D打印过程中，光照时间是关键参数。延长每层光照时间可提高针头精度，而增加背层厚度和缩短光照时间可实现快速制备。整个3D打印过程仅需20分钟，远快于传统方法。此外，二次光固化5分钟即可达到足以穿透皮肤的机械强度（1.68N/针）。最终，结合有限元分析和实验验证，确定了最优微针结构：底直径300μm、高度900μm（长宽比3:1）的金字塔形微针结构。该结构具有最佳的机械强度和穿透力，满足实际应用需求。该方法为不同材料微针的结构优化提供了参考。![]()
图3. 3D打印多功能共晶凝胶微针贴剂
为验证微针贴剂的性能，首先在猪皮肤上进行了体外实验（图4）。结果显示，微针能够成功穿透表皮，在皮肤表面留下持久的穿刺痕迹，并在表皮层形成约500μm深的穿孔腔道。这证实了微针能够有效地穿透皮肤屏障。为直观观察药物的皮肤渗透情况，制备了含罗丹明B的微针贴剂。激光共聚焦显微镜扫描结果显示，荧光主要分布在0-600μm深度，呈金字塔状分布，与微针的结构特点一致。这表明微针能够完全穿透表皮层，实现药物递送。为评估微针贴剂的生物相容性，进行了细胞毒性实验。结果显示，即使暴露于高浓度（1mg/mL）微针提取物，NIH-3T3细胞活力仍高于90%，未见明显细胞毒性。此外，在小鼠背部皮肤上应用微针10分钟后，未观察到明显的皮肤红肿等刺激反应，恢复情况良好，这可能归因于微针基质材料（ChCl、聚HEMA-IA）的良好生物相容性[5]。![]()
图4. 共晶凝胶微针刺入性能及生物相容性
微针贴剂不仅可用于药物递送，还可应用于人体运动监测。特别是对于糖尿病患者，由于神经损害，皮肤伤口周围的反复拉伸往往难以察觉，影响伤口愈合。因此，监测运动过程中的皮肤变形对于伤口愈合至关重要。本研究开发的多功能微针贴剂具有出色的可拉伸性和导电性，可作为灵敏的应变传感器（检测限1%）。将其贴附于手腕并与手机蓝牙连接，可实现无线实时监测人体运动（图5）。实验结果表明，微针传感器能够准确捕捉手指、手腕和颈部等关节的弯曲运动，并随变形角度呈现相应的电信号变化。此外，传感器对不同频率的运动响应保持稳定，表现出良好的频率独立性。由于微针传感器具有出色的抗冻和溶剂保持能力，即使在-20℃至60℃的温度范围内，其信号响应也保持一致，展现了优异的温度稳定性。这为关节疾病诊断和伤口愈合监测等应用提供了可靠的技术支撑。![]()
图5. 可实现无线运动监测的共晶凝胶微针
除了运动监测，微针贴剂还可用于生物标志物检测，如皮肤间质液（ISF）中的葡萄糖。为实现ISF的快速吸收和可视化分析，本研究采用了溶胀性高、易剥离、机械强度高的微针结构。具体地，微针部分由含有葡萄糖氧化酶（GOx）和过氧化物酶（HRP）的CHI-gel制成，背层部分由含有3，3'，5，5'-四甲基联苯胺（TMB）的CHG-gel制成（图6）。当微针插入皮肤后，GOx能选择性地将ISF中的葡萄糖转化为葡萄糖酸和过氧化氢，HRP随后催化TMB的氧化，引起颜色变化。通过将微针插入含葡萄糖的凝胶中，观察到随着时间延长，颜色由浅变深，最终在10分钟达到最深。不同浓度葡萄糖（0-20mmol）也能引起相应的颜色变化。通过RGB直方图分析，发现红色通道变化最为明显，可用于定量检测。为验证体内应用，将该可视化微针贴剂应用于STZ诱导的糖尿病小鼠。结果表明，正常血糖小鼠（4.3mmol）微针颜色较浅，而高血糖小鼠（16.1mmol）微针呈现明显的青色。与商用血糖仪测量结果比较，两者无显著差异，证实了该方法的准确性和灵敏度。相比于现有基于微针的ISF葡萄糖检测方法，该多功能可视化微针贴剂无需离心或复杂仪器，即可实现快速、简单的血糖监测，有望提高患者依从性。![]()
图6. 比色血糖检测的共晶凝胶微针
为实现对糖尿病患者的精准治疗，本研究开发了可控释放胰岛素的微针贴剂。与现有微针相比，该微针具有极高的胰岛素负载量（42.81±1.72μg/针），是常规聚合物微针的26倍，可满足一天的用量（约4.3mg）。通过在微针基质中添加不同比例的聚乙二醇（PEG）作为致孔剂，可调控胰岛素的释放动力学（图7）。PEG含量越高，微针表面孔隙越多，释放速率越快。当PEG含量为40%时，微针能在2小时内几乎完全释放（68.75%），适用于抑制餐后血糖快速上升；当PEG含量为20%时，微针能持续24小时缓慢释放（78.64%），适用于调控基础血糖水平。进一步研究发现，当高浓度药物负载时，可能出现突发性释放，不利于持续给药。通过增加交联剂含量，可有效抑制这一现象的发生。体内实验结果表明，与皮下注射和快释微针相比，缓释微针能够持续降低小鼠血糖，且血浆胰岛素浓度也能维持在较稳定的水平，有效减少了低血糖风险。![]()
图7. 按需释药的共晶凝胶微针
综上所述，为解决微针现有制备方法中药物负载不足、成本高昂、制备时间长等问题。本研究提出了一种基于深共晶溶剂的快速多材料3D打印微针贴剂（共晶凝胶微针）新方法。共晶凝胶微针具有出色的导电性、机械强度、生物相容性以及可调的药物释放动力学，适用于可穿戴监测和经皮给药。与现有3D打印微针墨水相比，共晶溶剂具有更快的光聚合速率和更高的药物溶解度。通过调节共晶溶剂中的致孔剂和交联剂含量，可实现对药物释放动力学的精准调控。基于多材料分层3D打印技术，共晶凝胶微针可实现定制化的结构和功能。这不仅能满足个体需求，而且打印过程快速高效（20分钟内完成）。作为概念验证，本研究开发了三种具有不同功能的共晶凝胶微针:可穿戴无线共晶凝胶微针可实时精准监测关节活动，有助于关节疾病诊断和伤口愈合监测；比色共晶凝胶微针可无痛检测皮肤间质液中的葡萄糖，替代传统血糖仪；可控释放胰岛素的共晶凝胶微针，既能快速降低餐后血糖，又能长期维持基础血糖水平，改善糖尿病管理。这些创新性的共晶凝胶微针不仅能提高糖尿病患者的生活质量，而且制备成本低廉，有望为全球数亿糖尿病患者提供更加经济实惠的个性化诊疗方案。
- 首次提出利用可聚合深共熔溶剂进行快速3D打印微针贴剂；
- 一体化3D打印制备出具有坚硬微针层和柔性背衬层的多功能微针。；
Volume 368, April 2024, Pages 115-130
https://doi.org/ 10.1016/j.jconrel.2024.02.023
李欢军，北京理工大学长聘副教授 / 特别研究员，博士生导师，北京理工大学杰出中青年教师发展支持计划获得者，化学工程研究所副所长。北京理工大学和北京市优秀硕士生论文指导教师（2018 年，2022 年），北京理工大学和北京市优秀本科生毕设论文指导教师（2020 年），指导的研究生有 5 人获得国家奖学金，指导 2 名学生获得北京理工大学最高奖学金-徐特立奖学金（2017 年，2020 年）。Nat. Comm., Adv. Mater., Angew. Chem. In. Ed., Nano-Micro Lett., Adv. Funct. Mater., ACS Nano 等顶级期刊特邀审稿专家。主持有国家自然科学基金面上项目，教育部博士点新教师基金，北京市自然科学基金面上项目，留学回国基金项目，北京理工大学校级项目和校企合作项目，参与国家自然科学基金重点项目 1 项。迄今在国内外学术刊物及会议上发表学术论文 100 余篇，包括 Sci. Adv., Angew. Chem .In. Ed., Adv. Mater., Chem. Eng. J., J. Mater. Chem. A, J. Control. Release 等 45 篇顶级期刊，获授权发明专利 7 项。SCI 论文累计被引用 9700 余次，平均每篇 SCI 论文被引用超过 120 次，单篇引用超过 100 次的 SCI 论文有 10 篇，H 指数 34。
刘欢，北京理工大学博士研究生。以第一作者身份在Journal of Controlled Release，Industrial Crops and Products，Biomedical Chromatography等国际学术期刊上发表论文3篇。
- B.Z. Chen, Y.T. He, Z.Q. Zhao, Y.H. Feng, L. Liang, J. Peng, C.Y. Yang, H. Uyama, M.-A. Shahbazi, X.D. Guo, Strategies to develop polymeric microneedles for controlled drug release, Adv. Drug Del. Rev., 5 (2023) 115109.
- Z. Luo, Y. Wang, J. Li, J. Wang, Y. Yu, Y. Zhao, Tailoring hyaluronic acid hydrogels for biomedical applications, Adv. Funct. Mater., (2023) 2306554.
- C.L. Caudill, J.L. Perry, S. Tian, J.C. Luft, J.M. DeSimone, Spatially controlled coating of continuous liquid interface production microneedles for transdermal protein delivery, J. Control. Release, 284 (2018) 122-132.
- M. Tan, Y. Xu, Z. Gao, T. Yuan, Q. Liu, R. Yang, B. Zhang, L. Peng, Recent advances in intelligent wearable medical devices integrating biosensing and drug delivery, Adv. Mater., 34 (2022) 2108491.
- S. Roig-Sanchez, D. Kam, N. Malandain, E. Sachyani-Keneth, O. Shoseyov, S. Magdassi, A. Laromaine, A. Roig, One-step double network hydrogels of photocurable monomers and bacterial cellulose fibers, Carbohydr. Polym., 294 (2022) 119778.
本文系本公众号原创，欢迎个人转发分享。其它任何媒体、网站如需转载，需在正文前注明来源于J Control Release微信公众号。
