自溶性微針基質材料的應用進展

姚碧金，劉冬榕，時軍，莊澤檳

（廣東藥科大學中藥學院，廣東 廣州 510006）

經皮給藥系統（transdermal drug delivery systems,TDDs）是一類很有應用價值和市場潛力的制劑體系，具有控制藥物釋放、穩定血藥濃度、無痛給藥和減少劑量等優勢，避免藥物首過效應及給藥過程的不適感，提高用藥的安全性和適應性。近年來，TDDs在醫藥領域得到快速的發展，用于疾病預防、檢測和治療[1]。由于皮膚角質層（SC）的屏障作用，TDDs中藥物的釋放受限，因此有必要開發促進藥物經皮滲透的方法，以增加藥物在皮膚組織或血液中的濃度。

微針是一種經皮遞藥載體，能夠機械穿透角質層屏障，幾乎不觸及真皮層血管及疼痛敏感的神經末梢，可促進大分子或親水性藥物的經皮傳輸。自溶性微針（dissolving microneedle，DMN）由藥物與可溶解或生物降解的基質材料組成，其制備工藝及給藥過程見圖1。DMN用于皮膚給藥后，基質材料吸收間質液便溶解或降解，釋放的藥物抵達真皮后隨著血液循環到達病變部位發揮治療作用，具有生物相容性、生物降解性、抗斷裂強度和安全性等優點。與其他類型的微針相比，DMN避免了固體微針多步驟給藥及生物銳器產生、中空微針制作成本高、涂層微針載藥量低且劑量不準確、水凝膠微針給藥速度慢等問題[2]。基質材料是DMN制造和使用的關鍵因素，必須滿足生物穩定性、皮膚刺入率和用藥安全性等要求。本文就自溶性微針基質材料的應用進展研究進行綜述。

圖1 微成型方法制備自溶性微針及自溶性微針給藥的過程Figure 1 Preparation of dissolving microneedles by micro-forming method and the process of dissolving microneedles administration

1 天然水溶性基質材料

天然材料廣泛來自動植物和微生物體內，具有可再生、可塑性、生物降解性和生物相容性，價廉易得，且不會對人體健康造成危害。自溶性微針的天然水溶性基質材料包括糖類和蛋白質類，這些材料與間隙液接觸后迅速溶解，藥物快速釋放。

1.1 糖類

1.1.1 麥芽糖麥芽糖由兩分子D-葡萄糖組成的天然碳水化合物，在皮膚內可被葡糖淀粉酶水解，具有生物相容性佳、穩定性高、成本低和安全性好等特點。麥芽糖有3種狀態（液態、玻璃態、固態），活性化合物可以與液體狀態下的麥芽糖混合，當麥芽糖處于玻璃態時形成微針，固體狀態的麥芽糖可提供微針穿透皮膚所需的強度。Kolli等[3]采用微模壓技術制造含鹽酸尼卡地平的麥芽糖微針。該麥芽糖微針穿透皮膚深度約為160 μm，并很快在皮膚中溶解，增加藥物的經皮透過率。Lee等[4]采用加熱-拉伸法制備了載有抗壞血酸-2-葡萄糖苷和煙酰胺的自溶性麥芽糖微針。該微針穩定性好，且在刺入豚鼠皮膚20 min后完全溶解，動物實驗證明可減少黑色素的沉積，抑制皮膚黑色素增多癥。另外，麥芽糖可作為以聚乙烯吡咯烷酮或聚乙烯醇等為基質的自溶性微針的穩定劑[5]。

1.1.2 透明質酸透明質酸（HA），又名玻尿酸，是生物體內的非硫酸化糖胺聚糖，組成皮膚組織結構的親水性成分，具有優異的保濕性、生物相容性和天然可降解性[6]。HA已被FDA批準用作皮膚填充劑，目前在微針中應用廣泛。欽富華等[7]以透明質酸為基質材料，采用模具澆注法制備載有重酒石酸卡巴拉汀（RHT）的自溶性微針并對其經皮滲透性能進行考察。結果表明所制備的RHT自溶性微針貼片針長為500 μm，能有效穿透鋁箔，在大鼠皮膚內的溶解時間為1 h；體外經皮試驗中，1%RHT溶液和RHT自溶性微針的穩態透皮速率常數分別為3.08、8.04 μg/（cm2·h）。純HA制備的微針，易脆且不易脫模。相較于HA的穩定性差、自由基敏感、機械強度差，透明質酸鈉（SH）的力學強度和穩定性均增強。另外，可在配方中添加聚（馬來酸烷基乙烯基醚），可增加HA-DMN的硬度[8]。為了改善抗瘧疾藥lumefantrine（LUM）口服利用率低的缺點，Volpe等[9]將LUM載于以SH為基質的微針中，制得的DMN-LUM具有強大的機械強度，能夠穿透角質層釋放藥物，并能延長藥物的作用時間。

1.1.3 硫酸軟骨素硫酸軟骨素（CS）是5種糖胺聚糖之一，是由D-葡萄糖醛酸和N-乙酰-D-半乳糖胺以β-1，3糖苷鍵連接而成，廣泛分布于動物組織的細胞外基質和細胞表面，主要存在關節軟骨中，是軟骨修復和再生的重要分子，也是一種抗氧化和抗炎分子。硫酸軟骨素已被證明是促進真皮成纖維細胞附著、生長和增殖的優良支架，在沒有細胞毒性的情況下促進傷口愈合[10]。CS溶解在水中，在環境溫度下形成高黏度凝膠，無需加熱即可生產DMN。Naito等[11]證實，由CS組成的負載卵清蛋白（OVA）的自溶性微針鋒利且強度足以穿透小鼠皮膚角質層，在短時間內有效地將負載的卵清蛋白輸送到皮膚中，并在小鼠血清中誘導強烈的抗原特異性抗體反應，且其劑量-反應效率與皮內注射相當。為了提高干擾素-α-2b（IFN）的生物利用度，Chen等[12]以硫酸軟骨素為基質材料，制成含有干擾素-α-2b的DMN，得到的IFN-DMN有利于提高IFN的穩定性。但由純CS制成的IFN-DMN易碎。在此基礎上，通過考察發現以質量濃度5%CS和45%聚乙烯吡咯烷酮（PVP）作為基質材料，得到的微針的藥動學特征和肌肉注射組差異無統計學意義，且穩定、安全和不易碎。詹燕珊等[13]以硫酸軟骨素和PVP為基質材料，制備裝載丹參酮ⅡA固體分散體的自溶性微針并研究該微針對瘢痕增生的抑制作用及機制。實驗表明，該微針穿透性強、安全穩定，可促進增生性瘢痕皮膚質地變軟，降低皮膚增生厚度，消褪組織炎癥。

1.1.4 殼聚糖殼聚糖（CH）是由天然多糖幾丁質經過脫乙酰作用得到的，是一種直鏈陽離子多糖，具生物相容性、生物降解性、良好的機械強度和天然抗菌性等優良性能，被FDA普遍認為是安全的[14]。在體內，溶菌酶降解殼聚糖，產生無毒低聚糖，然后這些低聚糖可以結合到糖氨基多糖和糖蛋白中或被排泄。CH不溶于水中，僅在一定的酸性條件下才能完全溶解（pH≤6）。通過澆注法制備的載有美洛昔康的殼聚糖微針是一種成功的緩釋劑，呈現出有序分布和均勻尺寸的微針，能成功地穿透牛尸體耳朵皮膚的角質層，建模等實驗表明該DMN可能適用于牛常規手術后的疼痛管理[15]。Chi等[14]采用微模壓方法制備了一種將血管內皮生長因子（VEGF）包裹在水凝膠中的殼聚糖微針陣列貼片。實驗證明該微針可以在傷口閉合期間抑制炎癥，促進膠原沉積、血管生成和組織再生。

1.2 蛋白質類

絲素蛋白（SF）是應用最多的蛋白質類DMN基質材料，為FDA批準的醫療設備，可為創面提供較理想的愈合條件，利于皮膚創面修復[16]。SF是從蠶絲中提取的具有規則疏水和親水結構域天然高分子纖維蛋白，具有出色機械性（優良的韌性和延展性）、生物降解性、生物相容性、低免疫原性和緩釋性。SF的體內降解產物無毒，且具有抗炎和抗氧化特性[17]。Yavuz等[16]使用聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具制備載有避孕藥左炔諾孕酮（LVN）的SF微針，得到的LVN-DMN性質穩定、無需冷藏且持續透皮給藥超過3個月。在此基礎上，當藥物裝入DMN內后，再將其裝入微針貼片內，釋放延長到1 a。Zhu等[18]將胰島素/絲素蛋白的混合溶液倒入PDMS模具中制得微針尖端，絲素/脯氨酸/胰島素混合溶液作為微針的底座，以獲得復合載藥微針。微針針尖具有良好的溶解性，能夠快速溶解，促進胰島素的釋放。該底座具有膨脹而不溶解的特性，可作為藥庫攜帶胰島素。動物實驗表明，該微針具有明顯的降血糖作用，并顯示出緩釋作用。

此外，膠原蛋白及其衍生物、蠶絲、明膠和玉米醇溶蛋白是少數用于制造DMN的蛋白質基質材料。據推測，此類材料能更好地與蛋白質類藥物或疫苗相互作用，并有助于微針的高載藥量和更好的穩定性[19]。

其他天然基質材料見表1。

表1 其他天然基質材料Table 1 Other natural substrate materials

2 合成可生物降解的高分子基質材料

可生物降解高分子材料在皮膚環境中可被皮膚微生物或其分泌物在酶或化學分解作用下發生降解，具有生物相容性、降解產物無毒性、生產成本低和結構及性能可調控的優勢。該類材料主要包括有聚乙烯醇、聚乙烯吡咯烷酮、聚乳酸、聚乙醇酸、聚丙交酯-共-乙交酯、羧甲基纖維素、聚碳酸酯和聚甲基乙烯基醚-馬來酸酐等。

2.1 聚乙烯醇

聚乙烯醇（PVA）是一種由醋酸乙烯單體聚合后醇解制成的水溶性聚合物材料，具有生物降解性、生物相容性、耐酸堿性、柔韌性好和成膜性能好等諸多優良特性。PVA在納米抗菌材料、可降解材料、包裝材料等領域均獲得廣泛的應用。PVA的醇解度和聚合度決定了其水溶性的大小。Liu等[22]通過溶液澆鑄法制備以PVA為基質材料的DMN，在微針制造和干燥過程中，發現較高濃度的PVA有助于制備具有藥物濃縮在尖端的DMN。該微針具有足夠的機械性能，可以順利刺入皮膚。Zhang等[27]制備并考察載有碳化艾草和前列腺素E2的PVA微針對受損骨骼肌的修復作用。結果表明，與經典艾灸治療相比，該系統能更快地恢復肌肉損傷小鼠模型的肌肉力量和肌束纖維的橫截面積。此外，它還可以成功誘導肌肉干細胞的增殖和分化，從而有效修復受損的肌肉組織。

2.2 聚乙烯吡咯烷酮

聚乙烯吡咯烷酮（PVP），也稱聚維酮，是一種水溶性的乙烯基聚合物的衍生物，具有優良的生理惰性、生物相容性、吸濕性、增溶或凝聚作用，被FDA認為是安全的。PVP可調控藥物的釋放，提高水溶性差藥物的生物利用度，并能掩蓋不愉快的氣味[28]。PVP平均分子量越大，黏接性越強，溶解越慢。李敏姝等[29]將布林佐胺溶于乙醇，加入PVP K90溶解后，灌注于微針模具中，干燥后脫模得到眼用角膜布林佐胺自溶性微針。該微針為圓錐形，高約750 μm，針尖距約500 μm，載藥量高達7.3 mg/cm2；其機械強度較大（0.32 N/針），易插入大鼠角膜中，深度達200 μm，微針在2 min內就可快速溶解，受損角膜于24 h內可快速修復。此外，布林佐胺微針的體外釋放率在2 h內高達93%，藥物角膜滲透量為（877±105）μg。但是，PVP-DMN的快速溶解特性在一定方面限制了其應用，例如，在某些疾病條件下，立即給藥可能會導致潛在的局部刺激或系統性過敏反應。因此，選用PVP作為基質材料時，可加入藥用纖維素，如羥丙基甲基纖維素和甲基纖維素，作為微針的溶解改性劑，控制DMN的溶解速率[30]。

2.3 羧甲基纖維素

羧甲基纖維素（CMC）是一種陰離子型纖維素醚類的脫水葡萄糖的線性多糖，具有良好的溶解性和生物可降解性，可溶于水且成本低。歐洲食品安全局報告稱，CMC是一種安全的食品添加劑。CMC有吸濕性，對光熱穩定，黏度隨溫度升高而降低。在生物醫學領域，CMC及其復合材料廣泛應用于組織工程、傷口敷料和生物相容性植入物的3D支架制備等[31]。Yun等[32]將CMC作為基質材料來制備含有抗嗜水氣單胞菌感染的疫苗DMN貼片。在皮膚插入實驗中，DMN貼片被證實能夠穿透魚皮膚的角質層。通過凝集試驗和對溶菌酶和超氧化物歧化酶等非特異性參數的分析，證實該微針貼片可誘導魚類產生適應性和先天性免疫反應，且療效與腹腔注射組幾乎相似。陳歡歡等[33]開發了裝載雷公藤甲素的CMC-CS雙室自溶性微針，并進行質量評價及體外透皮性能的考察。制備的雙室載藥微針外觀形態、機械性能良好；每片含藥量為（218.88±0.10）μg；體外透皮實驗表明，72 h內雷公甲素累積透皮率達98%。

2.4 聚乳酸-羥基乙酸共聚物

聚乳酸-羥基乙酸共聚物（PLGA）由2種單體—乳酸和羥基乙酸聚合而成的高分子有機化合物，具有良好的機械性能、生物相容性、生物降解性且降解速度可控的性能。PLGA被FDA批準為藥用輔料和臨床傷口敷料，可促進血管生成并加速傷口愈合[34]，在人體內最終代謝為二氧化碳和水。PLGA的機械性能和降解性能可以通過丙交酯和乙交酯的不同比例進行調整，降解時間從幾周到幾個月不等，當兩者的比例為50∶50時，降解速度最快。PLGA適用于骨修復，是一種具有良好生物相容性和可加工性的人工骨支架材料。Panda等[35]將溶菌酶分別包埋在PVP、HA和PLGA中，采用模具鑄造技術制作了DMN。結果發現PLGA微針比PVP和HA微針需要更大的穿刺力，這可能是由于PLGA聚合物的剛性結構導致形成更寬的微針直徑。PVP微針和HA微針的藥物釋放曲線顯示瞬時釋放，而PLGA微針相對緩釋。另外，PVP和HA制造的微針表面光滑，而PLGA制造的微針具有粗糙的外觀，這是PLGA聚合物的特征。Lee等[36]證明了PLGAMN輸送系統長期輸送左炔諾孕酮的可行性。

2.5 其他合成基質材料

自溶性微針的其他合成基質材料見表2。

表2 其他合成聚合物基質材料Table 2 Other synthetic polymer substrate materials

3 自溶性微針基質材料應用面臨的挑戰

自溶性微針基質材料具有生物相容性好、可生物降解及可控制藥物釋放速率等優點，為DMN的廣泛應用奠定了基礎。但需關注的是，將自溶性微針進一步應用于臨床給藥還面臨很多挑戰。

3.1 穩定性

自溶性微針的穩定性對藥物能否發揮藥效或是否產生毒副作用至關重要。影響DMN的穩定性因素有很多。首先，部分DMN的基質材料有吸濕性，如PVP、CS和CMC等，這種吸濕性導致微針從生產過程中吸收水分，水分的存在很大可能對成品結構完整性、機械性能及藥效產生負面影響。DMN在制造過程的高離心力、真空壓力或高溫等苛刻的加工條件也可能會降低藥物的穩定性。另外，一些藥物（如蛋白質和疫苗）在物理和生物環境中都極易降解，載于微針同樣容易失效。已有研究表明：蠶絲和海藻糖可作為流感疫苗微針的穩定劑，在制造DMN是中摻入少量氧化石墨烯可顯著提高微針的防潮性；使用雙噴嘴噴霧沉積工藝制作DMN，可提高微針中蛋白質的穩定性[42-43]。因此，未來研究可以通過維持良好的生產環境、調整DMN配方比例或優化制備工藝等手段來保證其穩定性。

3.2 機械強度與載藥量

基質材料機械強度是DMN能否穿透皮膚角質層的重要因素。首先，皮膚本身的彈性和韌性較大的基質材料（如PVA、CMC-Na）的使用，會導致DMN難以完全插入皮膚中；另外，部分脆性材料（如PVP、CS）單一使用時容易因為過脆而發生斷裂。為了應對這一挑戰，在制備DMN時往往選擇兩種或兩種以上的基質材料混合使用，結合各材料之間的優勢，以期使微針具有良好的機械性能，負載更多的藥物含量。Xing等[44]優選PVA和PVP作為基體材料制備含有氨甲環酸的DMN，該微針能顯著提高氨甲環酸的經皮透皮量，并減少黃褐斑豚鼠皮膚中黑色素的沉積。載藥量小是DMN應用發展的一個限制因素。雖然可以在保證針體硬度的條件下，通過增加配方中藥物的比例來增加載藥量，但增加量還是比較微小的。未來可采用離心、再填充和蒸發等手段濃縮藥物和載藥納米顆粒或開發具有較大藥物負載能力的DMN的新型聚合物材料等方法來提高微針的載藥量。

3.3 安全性

DMN的基質材料具有生物相容性和可生物降解性，在插入皮膚后完全溶解或降解，但關于用DMN反復穿透皮膚或聚合物沉積在皮膚中的長期影響知之甚少，且對于人體的長期毒性研究仍然有所欠缺。因此，在臨床環境中常規使用DMN之前，需要充分考察基質材料在人體中的積累、生物分布以及長期毒性，確保DMN的安全性。

無痛、微創、安全、高效是DMN用于透皮給藥的優勢。同時，穩定性差、機械強度和皮膚穿刺能力不合適、載藥量低和長期毒性研究有所欠缺，導致DMN無法規模化生產，是其在市場上應用的挑戰。相信在這些問題得到妥善解決后，DMN在各類治療藥物輸送中的應用將會越來越廣泛。

4 小結

綜上所述，用于制備自溶性微針的基質材料性質不盡相同，實際應用中，往往選擇兩種或兩種以上的基質材料混合使用制備DMN，結合各材料之間的優勢，以期獲得合適的機械強度、釋藥速率和成型性能。自溶性微針由于其生物相容性好、患者依從性好、可生物降解、不產生針尖廢棄物、可自主給藥和安全性高等諸多優勢在藥物經皮給藥領域具有巨大的潛力。相信隨著微加工技術的不斷發展和自溶性微針經皮遞藥系統的進一步研究，尤其是納米粒、水凝膠、脂質體等微粒遞藥體系與基質的結合與應用，自溶性微針在抗腫瘤、降血糖、疫苗接種、臨床檢測和醫學美容等領域將發揮越來越重要的作用，為廣大病患者帶來福音。