水凝胶微针的研究进展

姜升茜，王东凯

（沈阳药科大学 药学院，辽宁 沈阳 110016）

传统给药形式常指的是口服给药和注射给药，这两种方式各自存在一些缺点。例如，口服给药有首过效应，且容易引发胃肠道反应，注射给药则会引起注射部位疼痛，导致患者用药依从性差。而微针作为一种长度通常不超过一纳米，宽度不超过五百微米的点阵状经皮给药制剂，可以有效避免上述缺点。

第一，微针的主要递药方式为透皮吸收，可以避免首过效应和胃肠道反应。第二，许多不能通过传统经皮途径输送的化合物也能以微针的形式输送。皮肤作为人体最大的器官，可以保护我们脆弱的内部器官免受外界环境的伤害，但由于角质层施加的皮肤屏障，大量药物，尤其是水溶性药物和大分子脂溶性药物不能以治疗速率透过皮肤，这严重限制了透皮给药的应用。而微针可以在皮肤外层产生临时通道，从而使药物绕过角质层屏障。第三，通过微针给药可以实现精确给药，使药物递送的剂量更加准确，避免毒副作用[1]。第四，由于微针的长度足以穿透表皮角质层，但是又达不到神经末梢，所以微针基本上是无痛的，这增加了患者的依从性[2-3]。

目前，已有的微针种类包括：固体微针、涂层微针、溶解微针、空心微针和聚合物微针（Polymer microneedles）。空心微针类似于皮下注射针，其长度较短，具有用于输注液体药物的小孔，但制备工艺复杂、成本高，不适于批量生产；固体微针是在皮肤上刺一个可逆的孔洞后再贴上一个含药的贴片，给药方式烦琐；涂层微针则是在固体微针表面进行涂层，然后药物从涂层的表面扩散到更深的表皮层，但其和溶解微针一样，药物溶解速度过快，不能达到缓控释的效果；聚合物微针可以是不同类型的，如由聚合物制成的溶解型、非溶解型或水凝胶型微针。研究表明，用微针递送肽和蛋白质分子会产生比标准的注射给药途径更好的递送效果[4-5]。

Table 1 Comparison of advantages and disadvantages of various types of microneedles表1 各类微针的优缺点对比

除此之外，水凝胶微针的可塑性更好，能制作成不同的形状，并且可以很容易的从皮肤上剥离，没有残留，这些都是其他类微针所不具备的优势。但水凝胶微针也有它的弊端，一般的水凝胶微针在给药后会有突释效应，容易产生毒副作用，若所选用的聚合物不具备生物相容性，还容易引起毒性反应[6]。

1 水凝胶微针简介

水凝胶微针（Hydrogel-Forming Microneedles）属于聚合物微针的一种，最早可以追溯到 2012年，Leese 的小组首次报道了由可溶胀的聚合物制备的水凝胶微针。这种微针能大大增加载药量，提高对皮肤和蛋白的生物兼容性，也可以制造成各种尺寸和几何形状，易于消毒，并且能完整地从皮肤上取下，与可溶性微针相比有相当大的优势[7]。

1.1 作用机制

水凝胶是由天然的或合成的聚合物链组成的凝胶，具有良好的生物相容性，其亲水结构使得其三维网状结构中能容纳大量的水，因此具有高吸水性。而水凝胶微针作为一种独特的微针阵列，它的释药机制不同于其他微针类型，其本身不含有药物，但在插入皮肤时会迅速吸收皮肤间质液，从而膨胀，形成从贴片型药物储库到皮肤微循环的连续、不堵塞的水凝胶导管，高浓度的药物便由储库中释放到皮肤中[8-9]。此外，经水凝胶微针递送药物的速率可以通过水凝胶纤维的交联密度来调节[10]。

1.2 制备材料

微针技术的进步体现在从简单的由硅和金属制成的实心固体微针到生物响应性的水凝胶微针和可溶解微针的转变，传统微针的金属碎块可能会残留在皮肤内，由此导致无机颗粒在体内积淀，而水凝胶具有良好的生物相容性，常用于药物传递领域[11-12]。常见的可用于制成水凝胶的天然高分子有甲基纤维素、阿拉伯胶、透明质酸、壳聚糖、淀粉等其他天然衍生聚合物，合成高分子有聚乙烯醇、聚丙烯酸钠、甲基丙烯酸类聚合物等[12-13]。单一材料制备的微针会产生诸如机械强度低、稳定性差等缺陷，所以经常选择多种材料作为微针基质[14]。

1.3 制备方法

水凝胶微针是聚合物微针的一个亚型，其中，聚合物表现出水凝胶的物理化学性质。由于这些聚合物之间存在相似性，因此，无论聚合物是否具有水凝胶的性质，制备方法都是相似的[11]。常见的制备流程是先将聚合物分子间通过物理交联、静电相互作用或者化学交联形成后形成亲水性聚合物网络，然后通过一定的方法将聚合物水凝胶注射到微针模具中，静置干燥一定时间，脱模，干燥，储存。

随着科学技术的飞速发展，近几十年来出现了越来越多用途广泛的微针制造技术。一般制备微针的方法有微成型法[6]、循环冷冻解冻法[14-15]。微成型法是制造聚合物微针最常用的方法，具有可重复、成本低以及可批量生产的特性[16]。该法利用激光蚀刻、离子蚀刻和其他方法直接或间接制造出所需尺寸和形态的微针模具；然后，将所需的水凝胶聚合物添加到模具中，以制造相应的聚合物微针[6]。接着，将载药的聚合物溶液浇注到微针模具中，通过离心、真空或超声波等方法促使聚合物溶液进入微针模具的孔内，消除气泡，干燥模具，得到所需的聚合物微针。循环冷冻解冻法是将含有聚合物的水溶液在 -20 ℃ 下冷冻 1～12 h，随后将它们在 23 ℃ 解冻 24 h。该过程重复 4 次，并在每个冻融循环后测量重量变化和膨胀程度[17]。

2 水凝胶微针的分类

水凝胶微针可进一步被分为可溶解可降解水凝胶微针（Dissolving and Degradable Microneedles）和相转化水凝胶微针（Phase Transition Microneedle），两者的区别在于，前者将药物和基质都留在皮肤中，后者则只将基质中的药物递送到皮肤中，剩余的成分在使用后则可以很容易地从皮肤上除去。对于需要每天使用的药物，相转化水凝胶微针更容易被患者接受[12]。

2.1 可溶解可降解水凝胶微针

微针可以被设计用于生物分子、蛋白质、疫苗、DNA 或抗体的经皮递送。但是涂层微针和中空微针的金属针头由于长期插入皮肤中，容易使破损的皮肤感染，使用受到了限制。于是，便开发了可溶解或可降解水凝胶微针来克服这一安全问题。它们有着共同的机制特点：药物释放的模式依赖于微针基质的溶解和降解。这些微针在水中溶解或降解，从而在使用后不会留下尖锐的医疗废物[12]。实验证明可溶解微针在插入皮肤后，能在短时间内迅速溶解并释放药物，从而将药物分子释放到皮肤中[18]。可生物降解的微针在施用后会在皮肤中降解，从而释放结合的药物，通过选择合适的聚合物可以使释药时间维持长达几个月。

2.2 相转化水凝胶微针

相转化水凝胶微针中的药物释放是聚合物吸收体液后溶胀的结果。干燥状态下的微针处于玻璃态，有足够的强度刺入到皮肤中。刺入后的微针由于体液的吸收而溶胀，相转化为水凝胶微针，药物从水凝胶中释放。此外，可以通过调整凝胶的组成和凝胶内部交联密度来调整药物的释放模式。而凝胶经过物理交联处理后不再溶于体液，可以停留在皮肤上，保证了微针底层药物的持续释放[19]。

这种相转化水凝胶微针在使用后很少甚至没有剩余，同时还保留了其它微针的优势，如药物渗透量和速率提高、载药量大、相对容易制造等。因为皮肤中几乎没有非药物残留，所以有效增加了患者用药的依从性。

3 研究进展

水凝胶微针具有制备工艺简单、成本低廉、生物相容性好、载药量高等独特优势，是透皮给药的研究热点[19]。目前，水凝胶微针已在肿瘤治疗[20-22]、伤口愈合[23-24]、药物递送[19]、疾病诊断与监测、微针疫苗[25-26]等方面具有较广泛的研究。

3.1 肿瘤治疗

微针已被用于癌症的诊断、疫苗接种和靶向药物递送。S. Khan 及其团队[20]发现，在乳腺肿瘤的治疗中，微针阵列可以根据体重、乳腺肿瘤大小和药物的循环时间以相对无创的方式递送抗癌化合物。此外，微针可以同时装载多种药物并实现控释，从而有效优化或防止药物—药物相互作用。

黑色素瘤是一种恶性肿瘤，发生转移的患者生存率极低。传统的黑色素瘤常用手术和药物治疗方法，但伴有全身不良反应大，药物浓度低等缺陷。Cheng Liu 及其团队[22]使用水凝胶微针透皮给药，不但提高了药物浓度，而且还减少了治疗过程中的不良反应，对黑色素瘤有良好的治疗效果。

另外，基于微针阵列的癌症检测和治疗目前受到了广泛关注，这是源于：①微针可以局部植入肿瘤组织，从而避免与全身给药相关的所有不良反应；②基于微针的肿瘤药物递送装置不但可以有效递送小分子，还可以递送如化疗药物、蛋白质、遗传物质等大分子[21]。

3.2 伤口愈合

如何在最小化组织损伤的同时，实现对软组织的显著粘附是学术界的一大挑战。化学粘合剂通常会诱发显著的炎症反应，增加局部组织感染的风险乃至于损伤神经和血管，正因如此，其使用充满了局限性。

受体内寄生虫的启发，科学家开发了一种二相微针阵列，它通过可膨胀的微针尖端与组织机械性地互锁，在皮肤伤口愈合中实现了约 3.5 倍的粘附强度增加[23]。与缝合相比，仿生水凝胶微针贴片作为组织粘合剂具有很大的优势，包括方便、省时、通过均匀分布机械应力减少组织损伤，以及防止气体液体泄漏等。除了促进组织愈合，水凝胶微针贴片还可以通过可逆的微通道将抗炎和促再生分子等治疗物质输送到靶部位来加速伤口愈合[24]。

糖尿病患者和卧床病人常会有不同程度的皮肤损伤，如果这种皮肤损伤不能及时愈合的话，有可能会危及生命。许多研究探索了各种治疗方法对伤口愈合的功效，最近，研究人员证明，慢性伤口的复杂环境可能会降低局部应用治疗的可行性。而微针阵列可以用来提高输送效率，从而改善糖尿病患者和卧床病人的伤口愈合[27]。

3.3 药物递送

将水凝胶作为微载体输送大分子药物已经成为研究热点之一。水凝胶微载体具有高效、柔软、生物相容性高、药物负载能力强以及释药速度可控的优点，特别是智能响应性微载体，它可以敏感地响应外部微环境的刺激，如温度、光、pH、离子强度、磁场、电场等[28]，以即时和受控的方式释放所装载的药物。在所有这些递送微载体的方法中，注射给药是最常见和应用最广泛的一种。然而，注射给药会产生一系列问题，除了会导致疼痛、皮肤感染、应用过程复杂外，通过皮下注射递送的载药微载体很少能在皮肤下均匀分布，从而限制了药物的进一步释放和吸收。因此，无痛、无创、方便和均匀递送微载体的水凝胶微针应运而生。

胰岛素作为一种需要长期频繁注射给药的蛋白多肽类药物，其患者顺应性一直很低，水凝胶微针的出现解决了这一问题。目前，关于胰岛素非注射给药剂型的研究颇多，选用 PVA 和Dextran 制备的相转化水凝胶可以实现大剂量给药，控释给药等临床需求[19,29]；Fan[28]提出了一种新的策略，通过将黑磷水凝胶微球整合到微针阵列中来实现多功能和可控的药物输送。研究表明，PDDMs-MNs 可以可控地释放胰岛素并调节链脲佐菌素诱导糖尿病小鼠的血糖水平。这些研究结果都证明了水凝胶微针在大分子药物递送方面的作用。

3.4 疾病的诊断与监测

在疾病的诊断方面，可以通过提取皮肤间质液的方法，检测人体重要的生物标志物，如葡萄糖[30]、核酸、蛋白质等。间质液可替代体液，为临床分析提供广泛的健康相关生物标志物。一方面，皮肤是最容易接近的器官，另一方面，在真皮层中含有丰富的间质液，因此对皮肤间质液进行取样在临床诊断中是很普遍的。

然而，现有的采样方法，如微透析和开流微灌注等方法，既耗时又繁琐，患者依从性差。而微针具有微创和操作简便的特性，可以用于提取皮肤间质液。水凝胶微针因其简单、高效且具有良好的生物相容性而受到广泛关注，基于水凝胶的可膨胀性，Samant 等[31]的最新研究表明，以聚乙烯醇（PVA）作为基质物制备而成的水凝胶贴片可以从体外猪皮肤中收集间质液。

糖尿病患者的血糖监测对于糖尿病管理至关重要，微创的血糖监测可以提高患者顺应性。2022 年，Yan Wang 的团队[30]开发了一种基于响应式水凝胶系统的用于微创血糖监测的智能微针贴片系统。该贴片由光固化树脂的透明基材以及 pH 和葡萄糖响应水凝胶制成的微针组成。响应性复合水凝胶对生理范围内的葡萄糖水平表现出快速响应和高敏感性。在小鼠体外模拟皮肤和体内糖尿病中的血糖监测显示，微针能对葡萄糖浓度做出快速而灵敏的反应，通过微针高度和溶胀比的变化，可以定量读出葡萄糖水平。此外，小鼠体内的读数与血糖仪测量的血糖水平一致。这种智能微针系统具有替代传统采血式血糖监测方式的潜力，可以最大限度地减少患者在血糖检测过程中的不适[19]。

3.5 微针疫苗

2013 年，Peter C DeMuth 的团队[25]对小鼠的研究表明，微针能够有效地将疫苗输送到皮肤里，引发对流感、丙型肝炎和西尼罗病毒的保护性免疫。Ying Liu 及其团队[26]比较了通过微针贴片皮内免疫和常规肌肉注射在小鼠体内诱导的埃博拉病毒糖蛋白亚单位疫苗的免疫应答，结果表明，与肌内注射相比，微针递送的糖蛋白诱导了更高水平和更持久的针对糖蛋白的抗体应答。

4 发展前景

由于水凝胶微针技术的逐步成熟，大分子的输送不再局限于可以装载到微针本身中的物质，这项技术有可能克服传统微针设计的局限性，极大地增加可透皮给药的药物类型的范围，从而为行业、医疗保健提供者以及最终为患者带来好处。然而，水凝胶微针作为一种十几年前刚刚问世的新型药物制剂，在临床研究方面依然存在很多问题。一款好的水凝胶微针制剂必须具备良好的载药量、生物安全性、患者顺应性，以及能大量投入生产的可行性。所以，未来应寻找相对便宜的原材料，改进制造工艺，使其能够在临床应用中发挥更大的价值。