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(lèi)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(wèn)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(lái)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(wèn)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(lái)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(guò)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(guò)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(guò)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?lè)譃樘烊凰z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(lèi)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(wú)毒性而受到越來(lái)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(wèn)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(lái)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(jiàn)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(kāi)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(guò)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(guò)程的損失，增強(qiáng)藥物的療效。這一類(lèi)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(guò)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(guò)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(jiàn)圖2。

1.1物理交聯(lián)

許多天然聚合物，如海藻來(lái)源的多糖和動(dòng)物來(lái)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(guò)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(jiàn)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(wú)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(lèi)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(jiàn)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(shù)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(guò)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(lái)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(guò)程中大大提高了靈活度和時(shí)空精度，見(jiàn)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(wú)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(wú)機(jī)硅氧烷結(jié)構(gòu)交聯(lián)合成3D雜化水凝膠，新型無(wú)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(kāi)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(lái)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(wú)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(guò)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(lèi)聚合物等)，分子間可通過(guò)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(guò)模板法制備得水凝膠微針。天然高分子可經(jīng)過(guò)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(guò)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(guò)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?。?3］、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(lái)，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(lái)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(guò)從液體活檢中取樣，減少血液污染的風(fēng)險(xiǎn)，檢測(cè)無(wú)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(wú)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(jiàn)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(guò)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(lèi)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(wàn)古霉素［25］，同時(shí)釋放一定量的治療藥物，如胰島素。通過(guò)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(wú)電子、無(wú)酶、無(wú)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(wú)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(lái)，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(lái)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(guò)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(lái)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(lái)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(guò)比較球體對(duì)GelMA-β-CD/CUＲ(姜黃素)非透皮貼片的反應(yīng)來(lái)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(kāi)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(jiàn)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(shù)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(guò)120 d內(nèi)無(wú)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(guò)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(guò)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(lái)的不良反應(yīng)。

2.2.2糖尿病的治療

糖尿病是最常見(jiàn)的慢性病之一，其血糖水平難以控制?；颊咝枰刻鞕z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(lái)巨大的疼痛和壓力。胰島素過(guò)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(wú)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(jiàn)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(lái)的針型，解決了微針溶解在皮膚內(nèi)的安全性問(wèn)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(guò)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(wú)痛新技術(shù)，提高了生物相容性。

2.2.3其他疾病的治療

類(lèi)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(wú)法得到有效的控制。在臨床環(huán)境中通過(guò)局部注射一定劑量的藥物不僅需要專(zhuān)業(yè)的操作，還可能帶來(lái)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(lèi)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(guò)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(guò)調(diào)節(jié)適體溶液的濃度來(lái)控制水凝膠微針的負(fù)載量，避免了制備過(guò)程適體的浪費(fèi)和損失，見(jiàn)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(guò)藥物或手術(shù)來(lái)降低眼壓，因此難以避免藥物及術(shù)后帶來(lái)的副作用。CHAE等［33］利用微針注射原位形成的水凝膠來(lái)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(wú)藥物的治療方法，為青光眼的治療開(kāi)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(lèi)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(wèn)題分析

水凝膠微針?lè)譃槿芙馕⑨樅涂山到馕⑨?，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(wèn)題。

4.1生物安全性的問(wèn)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(lèi)微針不適用于每日給藥，若每天或短時(shí)間內(nèi)通過(guò)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(wèn)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(lèi)藥物遞送。②在制備過(guò)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(lái)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(wèn)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(wèn)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(lèi)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(lèi)微針的制備都無(wú)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(xiāo)售，見(jiàn)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(guò)調(diào)節(jié)遞送藥物的濃度來(lái)控制安全范圍內(nèi)的用藥分量。此外，通過(guò)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(wèn)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(lái)的研究熱點(diǎn)。

參考文獻(xiàn)

詳見(jiàn)中國(guó)藥學(xué)雜志2021年6月第56卷第12期