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微針貼片（MNs）因無痛、微創(chuàng)、能增強(qiáng)藥物滲透性、提高生物分子在表皮和真皮層的可檢測性等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于疾病診斷、組織修復(fù)與再生等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域。但MNs在使用過程中也存在部分問題，如力學(xué)性能欠佳、載藥率低、生物相容性差等，因此需要根據(jù)多種評價指標(biāo)綜合評估MNs的理化生物性能，以滿足試驗(yàn)要求。

 

在前期介紹了MNs最新研究進(jìn)展和分類后，部分讀者反饋不知如何評估所制備MNs的性能，為此本期總結(jié)整理了MNs的理化生物性能評價手段，以便于篩選合適的MNs用于后續(xù)研究。

1幾何形狀

圖1 MNs常用術(shù)語[1]

 

MNs的針尖尺寸、幾何形狀、針尖陣列數(shù)等因素都會影響微針的力學(xué)性能，可通過視覺檢查、立體顯微鏡和掃描電子顯微鏡（SEM）等手段可視化微針的幾何形狀。

 

Aoyagi等[2]系統(tǒng)探索了針尖幾何形狀（針尖角度、寬度）對MNs插入組織過程力學(xué)性能的影響。結(jié)果表明，具有低尖端角(15-30°)和細(xì)針軸(120 μm)的MNs可以有效地增強(qiáng)微針的插入，而不會導(dǎo)致失效。

 

圖2 MNs插入引起的應(yīng)力分布的有限元模擬結(jié)果。(a)尖端角與應(yīng)力的關(guān)系。(b)寬度與應(yīng)力的關(guān)系[2]

 

微針本身的幾何形狀已被證明會影響插入行為。Bediz等人[3]研究表明，因錐體微針插入力隨深度的增加而增加，相比之下，方尖碑設(shè)計的固體微針在更深、可重復(fù)插入方面更有效。

 

圖3 (a)微針的參數(shù)化幾何。(b)本研究考慮的三種形狀[3]

 

2力學(xué)性能

皮膚的粘彈性會降低微針的穿透力，MNs必須具有足夠的機(jī)械強(qiáng)度才能穿透皮膚。研究表明，

微針進(jìn)入皮膚屏障所需的插入力約為0.098 N/針，以穿透角質(zhì)層[4]。因此，將強(qiáng)度試驗(yàn)與插入試驗(yàn)相結(jié)合，對評價微針的穿透力具有重要意義。

 

評價微針機(jī)械強(qiáng)度最常用的試驗(yàn)是軸向壓縮試驗(yàn)或微針失效試驗(yàn)[5]。

 

測試方法：一個微針陣列連接到一個測試探針，然后將微針以預(yù)定的速度壓在一個扁平的鋁金屬塊上，直到在力-位移曲線上記錄一個最大峰值。這也被稱為微針的斷裂力。此外，微針的脆性也可以從力-位移斜率的梯度來評估。

 

圖4 (A) Ca2+/Alg-Mal 微針在0~1000 g抗重量范圍內(nèi)的形態(tài)。(B) 不同微針貼片的壓縮試驗(yàn)[6]

 

在每次機(jī)械壓縮測試后，需對微針進(jìn)行視覺直觀檢查，以評估微針在壓縮測試過程中可能產(chǎn)生的任何變形(如屈曲或彎曲)。壓縮試驗(yàn)是為了確定微針在變形前所能承受的機(jī)械強(qiáng)度。

 

3插入行為

MNs必須保持完整形貌，且有效插入組織中，才能高效發(fā)揮作用，因此需對MNs進(jìn)行插入研究。由于皮膚固有的粘彈性特性，整個微針長度的完整插入是很難實(shí)現(xiàn)的。微針插入深度分為真實(shí)深度和估計深度兩類[1]。

 

測定真實(shí)深度：共聚焦顯微鏡，X射線傳輸計算斷層掃描、光學(xué)相干斷層掃描(OCT)等。

測定估計深度：組織學(xué)切片、染色等。

 

圖5 MNs插入后位置可視化結(jié)果。（a）皮膚橫切面后顯微鏡觀察微針插入部位。（b）插入皮膚后將磺基羅丹明B沉積到皮膚，通過熒光顯微鏡觀察微針插入部位。（c）熒光顯微鏡顯示含有FITC -右旋糖酐的微針插入位點(diǎn)[1]

 

4皮膚刺激

MNs必須保持完整形貌，且有效插入組織中，才能高效發(fā)揮作用，因此需對MNs進(jìn)行插入研究。由于皮膚固有的粘彈性特性，整個微針長度的完整插入是很難實(shí)現(xiàn)的。微針插入深度分為真實(shí)深度和估計深度兩類[1]。

 

測定真實(shí)深度：共聚焦顯微鏡，X射線傳輸計算斷層掃描、光學(xué)相干斷層掃描(OCT)等。

測定估計深度：組織學(xué)切片、染色等。

 

表1 Kusamori等人[7]用于量化皮膚刺激程度的Draize法分級量表

 

5透皮失水

通常在微針插入試驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行透皮失水(TEWL)測量，可評估微針應(yīng)用于皮膚屏障后的完整性效果。微針成功插入皮膚后會損害皮膚屏障功能，這反映在水分流失測量的增加。隨著皮膚的彈性，微針孔重新密封，水分流失測量值會隨著時間的推移慢慢降低。

 

圖6 經(jīng)不同長度MNs處理的皮膚樣品(330 m厚)的水分流失與時間曲線[8]

 

6藥物遞送

弗朗茨擴(kuò)散池是研究微針增強(qiáng)藥物真皮滲透最常用的體外方法。

 

原理：這些擴(kuò)散池包含供體室和受體室，由膜(通常是離體的人或動物皮膚，或人工聚合物膜)隔開。含有感興趣滲透劑的配方通常被引入供體隔室，通過所選擇的膜擴(kuò)散到受體隔室。隨后用高效液相色譜(HPLC)等分析技術(shù)對擴(kuò)散到受體室的滲透液進(jìn)行分析。擴(kuò)散池通常分為靜態(tài)(Franz型)和流動(Bronaugh型)兩種類型。

 

圖7 用于研究皮膚滲透的擴(kuò)散細(xì)胞類型。(a)垂直靜態(tài)擴(kuò)散池。(b)并列靜態(tài)擴(kuò)散池。(c)流通池[1]

 

與傳統(tǒng)的體外弗朗茨池滲透研究方法相比，微針通常先應(yīng)用于皮膚，然后將供體室安裝到受體室上。

 

圖8 使用特制的Franz擴(kuò)散池進(jìn)行體外透皮給藥實(shí)驗(yàn)的詳細(xì)過程示意圖[9]

 

7生物安全性

制備MNs所使用的原料必須無毒無害，不會引起機(jī)體的免疫排斥等副反應(yīng)。MNs過程中和使用后，不會對機(jī)體產(chǎn)生細(xì)胞毒性、血液毒性以及組織器官毒性，可分別通過相關(guān)手段（活/死細(xì)胞染色、溶血實(shí)驗(yàn)、心/肝/脾/肺/腎等組織器官切片觀察等）檢測MNs的安全性能。

 

圖9 GelMA基MNs的生物相容性結(jié)果圖[10]

 

 

EFL 小貼士

通過對以上七類常見MNs性能測試表征方法及案例分析的學(xué)習(xí)，研究者可從多角度綜合分析課題設(shè)計中MNs的治療效果。

 

參考資料：

[1] Sabri A H, Kim Y, Marlow M, et al. Intradermal and transdermal drug delivery using microneedles–Fabrication, performance evaluation and application to lymphatic delivery[J]. Advanced drug delivery reviews, 2020, 153: 195-215.

[2] Aoyagi S, Izumi H, Fukuda M. Biodegradable polymer needle with various tip angles and consideration on insertion mechanism of mosquito's proboscis[J]. Sensors and Actuators A: Physical, 2008, 143(1): 20-28.

[3] Bediz B, Korkmaz E, Khilwani R, et al. Dissolvable microneedle arrays for intradermal delivery of biologics: fabrication and application[J]. Pharmaceutical research, 2014, 31(1): 117-135.

[4] Yu W, Jiang G, Zhang Y, et al. Polymer microneedles fabricated from alginate and hyaluronate for transdermal delivery of insulin[J]. Materials Science and Engineering: C, 2017, 80: 187-196.

[5] Larraneta E, Lutton R E M, Brady A J, et al. Microwave‐assisted preparation of hydrogel‐forming microneedle arrays for transdermal drug delivery applications[J]. Macromolecular materials and engineering, 2015, 300(6): 586-595.

[6] Larraneta E, Lutton R E M, Brady A J, et al. Microwave‐assisted preparation of hydrogel‐forming microneedle arrays for transdermal drug delivery applications[J]. Macromolecular materials and engineering, 2015, 300(6): 586-595.

[7] Kusamori K, Katsumi H, Abe M, et al. Development of a novel transdermal patch of alendronate, a nitrogen‐containing bisphosphonate, for the treatment of osteoporosis[J]. Journal of Bone and Mineral Research, 2010, 25(12): 2582-2591.

[8] Gomaa Y A, Morrow D I J, Garland M J, et al. Effects of microneedle length, density, insertion time and multiple applications on human skin barrier function: assessments by transepidermal water loss[J]. Toxicology in Vitro, 2010, 24(7): 1971-1978.

[9] Chen M C, Huang S F, Lai K Y, et al. Fully embeddable chitosan microneedles as a sustained release depot for intradermal vaccination[J]. Biomaterials, 2013, 34(12): 3077-3086.

[10] Yuan M, Liu K, Jiang T, et al. GelMA/PEGDA microneedles patch loaded with HUVECs-derived exosomes and Tazarotene promote diabetic wound healing[J]. Journal of nanobiotechnology, 2022, 20(1): 1-18.