药物递送（五）——微针技术

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美国权威科普类月刊杂志《科学美国人》（ScientificAmerican）评选的2020年有望改变世界的十大新型技术中，无痛注射微针给药技术名列榜首。

评选的标准为获得认可的技术必须具备超越现有技术的潜力：必须能更好地促进社会进步；必须是新兴的且在未来三五年能对该行业产生重大影响。在十强榜单中，位于微针给药技术之后的有鼎鼎大名如雷贯耳的计算机模拟医学、二氧化碳材料、空间计算、低碳水泥、小体积两支传感器、绿色氢能、全基因组合成技术等。可见科学界对于微针技术的高度认可，同时又给与其同等高度的希冀。

文丨木子君

编丨塔卡拉玛干的白杨

一 概 述

1. 微针

微针（Microneedles，MN）是一种新型的物理促透技术，由多个微米级的细小针尖以阵列的方式连接在基座上组成，针体一般高10－2000微米、宽10－50微米。微针的长度、大小和形状可根据治疗的需求进行个体化设计。微针能定向穿过角质层，产生微米尺寸的机械通道，将药物直接置于表皮或上部真皮层，不用通过角质层即可参与微循环，发挥药理反应。

微针递送药物时将活性成分装载于微针阵列中，药物与皮下组织液之间的浓度梯度形成驱动力，致使药物缓慢释放进入体内，除了具有经皮递送系统的优势外，还有如下优势：

（1）透皮吸收速率稳定；

（2）控制微针长度可避免触及毛细血管和神经末梢，降低或消除疼痛感；

（3）给药方式便捷，可自行使用。

2.经皮药物递送系统

2.1 定义和特点

透皮药物递送系统(Transdermal Drug Delivery System，TDDS)是指药物经皮肤给药进入体循环产生全身或局部治疗作用的给药系统，因其安全有效被广泛应用于临床。药物透过皮肤角质层，实现局部治疗效果；或透过角质层后继续通过表皮层和真皮层，药物经毛细血管进入体循环实现全身治疗。

TDDS具有独特的优势：

（1）避免首过效应；

（2）无需针头给药，不产生疼痛感，给药方便，改善患者顺应性；

（3）降低药物酶解的概率，保持药物较高的活性；

（4）能长时间维持稳定的血药浓度，保证稳定的药效，提高安全性。

但皮肤角质层是限制透皮给药系统应用的最大屏障，大部分药物难以透过角质层。可经皮递送的药物必须满足以下条件：相对分子质量不得高于500；高活性，低剂量可发挥药理作用；氢键供体小于5个，氢键受体少于10个；油水分配系数适中。这些条件限制了该给药系统的适用范围，只有亲脂性和低分子量药物能够透皮吸收，而例如多肽类、蛋白类这类大分子药物却无法经皮递送。

2.2 皮肤组织

人体皮肤组织由角质层、活性表皮层和真皮层三部分组成。

角质层（Stratum corneum）位于皮肤最外层，厚度约为15~20 µm，由致密的角质细胞组成。角质层细胞内充满密集平行的角蛋白张力细丝，浸埋在无定形物质中，其中富含组氨酸的蛋白质，细胞膜内附有一层厚约12nm的不溶性蛋白质，使细胞膜增厚而坚固，是药物分子透皮有效传输的最大屏障。

表皮层（Epidermis）位于角质层之下，共有五层，厚度约为50~100 µm，含有免疫活性细胞和少量的神经组织，不含有血管，是皮肤吸收重要的途径。表皮层的主要作用就是屏障功能，如对机械性损伤、物理性损伤、化学性损伤的防护，能防御微生物的入侵，同时防止营养物质流失。

真皮层（Dermis）位于表皮层之下，其下便是皮下组织。真皮层含有成纤维细胞，肥大细胞，组织细胞，淋巴细胞及少量真树皮突状细胞，噬黑素细胞，朗格汉斯细胞，还有血管、神经、皮脂腺、汗腺、毛囊等。真皮层的作用是使皮肤富有延展性和弹性，且能保护真皮组织整个毛状组织里面的毛细血管、腺体以及各种物质，能形成离子通道，用于吸收水分和营养物质，所以真皮层也是人体的储水库和营养物质代谢交换场所之一。

2.3 促渗技术

皮肤特定的生理结构在保护人体的同时也限制了药物的经皮递送，降低角质层阻力，增加皮肤通透性是药物经皮递送的常用方法。

为了促进药物透皮吸收，基于不同的促渗透机制开发了多种物理和化学促透方法。化学方法是利用化学促渗剂来改变皮肤生理特性，对紧密的脂质排列进行破坏，增加角质层的药物渗透量。物理方法是利用物理手段来改变角质层的物理状态和生理特性来提高药物的透皮量。

随着药物递送技术的发展，如脂质体、胶束、乳剂等新型制剂也被用于药物经皮递送。这些新型递送技术能在一定程度上能提高药物经皮递送效率，通过延长药物局部滞留时间来改善疗效，但由于皮肤这道天然屏障的存在，新型药物递送技术仍不能从本质上提高药物透皮递送的效率。目前常用的技术仍是辅助治疗手段，例如电穿孔、超声导入、离子电渗导入、磁场导入、热致孔导入和激光导入等。

二 递送技术

1．微针的发展历程

1958年，AlanRichard Wagner就提出了微针皮内注射的概念，并申请了专利，但受限于当时的制备技术，微针无法制备出来用于实际研究，直到1979年专利过期，都未有突破性进展。

1976年，在微针皮内注射的基础上，Gerstel和Place首次提出了微针经皮给药的概念，但在之后的二十多年中，并未有真正的微针可用于实验。

1995年，随着微机电系统加工技术的发展，高精度半导体、微电子设备出现，使Hasmhi等人利用蚀刻技术在硅晶片上首次制备出微针阵列。

1998年，美国佐治亚理工大学的Henry等人首次将微针应用于透皮给药研究，使得微针技术进入正式的药物递送领域，引发了微针开发热潮，直至最后实现产业化。

2．微针的分类

第一代微针是硅、氧化硅微针，第二代微针是金属微针，第三代微针为可溶微针，第四代微针则是近几年发展起来的水凝胶微针。按照微针的特点，可将微针具体分为：实心微针、空心微针、包衣微针、可溶微针、水凝胶微针。另有刚兴起的新概念微针技术，冷冻微针技术。

2.1 实心微针

实心微针（Solid microneedles）通常由金属材料和非降解聚合物等制备而成，例如硅、二氧化钛，本身不载药，它的作用是穿刺表皮，形成药物渗透所需的微通道。所以实心微针递送药物可分为两步：第一步是使微针穿刺皮肤表面形成微孔道；第二步是移除实心微针后将药物敷在微针穿刺部位，药物由孔道被动渗透进入皮肤。故也用“poke and patch”来表述实心微针。

实心微针所用材料一般为金属和非降解聚合物，所以机械性能强，需要采用激光切割、机械或化学刻蚀这类强力作用的方法制备，也可以铸造和在主模上电镀制备。

作为最早被开发的微针，缺点较为明显，其中最大的问题就是实心微针预处理形成的微通道在24h内会因皮肤愈合而缩短药物作用时间。解决这个问题的常用方法是给药部位密封法：用塑料薄膜或油性软膏对给药部位进行密封，保持局部环境湿润和角质层软化，通过延长微孔道维持时间来延长药物渗透。研究表明，密封法可维持微孔道开放时间持续48~72h。如果在给药部位使用非甾体抗炎药双氯芬酸钠，可将微孔道开放时间延长至7天，但易引起皮肤溃烂。

此外，实心微针因机械强度大，易出现断针现象，滞留体内的阵体给患者带来安全隐患。同时，微孔道因个体差异处于不同的动态恢复状态，造成无法准确控制给药剂量，对于药效学和药动学的评价会存在误差。

2.2 空心微针

空心微针（Hollow microneedles），即中空微针，其实质是微米级别的微型注射器，药物被预先装载于针体中空结构或者针腔内，中空针尖刺入皮肤后，药物在组织液浓度梯度的压力驱动下进入体内，实现药物递送。

根据制备选用的材料，可将空心微针分为硅空心微针、金属空心微针、聚合物空心微针。硅具有晶体结构，是微针常用的制备材料，微机械加工技术制备硅空心微针已可大规模生产，为提高其生物相容性，常在硅空心微针表面电镀金属涂层或二氧化硅涂层。金属是制备微针的另一种常用材料，金属的成本比硅材料更低，机械性能也更好，更利于递送药物时刺穿角质层，制备技术有模塑、溅射、电镀、激光刻蚀和光化学蚀刻等微电子工艺。聚合物因其良好的生物相容性和柔韧性，是制备新型微针的开发方向，常用的聚合物材料有聚氯乙烯（Polyvinylchloride，PVC）、聚酰胺（Polyamide，PA））、聚碳酸酯（Polycarbonate，PC）、聚醚醚酮（Poly-ether-ether-ketone，PEEK）、聚苯乙烯（Polystyrene，PS）、聚丙烯（Polypropylene，PP）等等，空心微针的制备技术主要有微模塑与热压成型。

在所有类型的微针中，空心微针因其中空结构而载药量最大，且能调节释放速度实现精准给药，但其也存在一些缺点：通常是采用数字化控制微机电系统加工制备空心微针，制备工艺精密且复杂，导致成本高耗时长。同时，因真皮组织紧密排列，空心微针穿刺皮肤易堵塞针孔，影响药物释放速率。而如果给药时用力不当，会造成针体断裂而滞留体外，存在安全隐患。

2.3 包衣微针

包衣微针（Coated microneedles），又称涂层微针或者表面载药微针。通过浸润、涂层或者针体外载药的方式，将药物附着于微针表面。给药时，微针刺入皮肤后，药物在皮肤内溶解进入细胞间液，递送入人体内。包衣微针主要用于递送水溶性药物，药物在皮肤内的释放速度快，生物利用度高，易于控制给药剂量，同时适用于小分子和大分子药物。并且，包衣微针可以重复利用。包衣的厚度和针的表面积决定了包衣微针的载药量，但需要保证包衣层的稳定性，不会轻易发生脱落。故也用“coat and poke”来表述包衣微针。

但包衣微针的缺点也很显著：载药量不高，仅适用于需药量少的高分子药物；针体外包衣影响微针针头的尖锐度，给药过程中因皮肤紧密排列产生的摩擦力会导致部分包衣药物滞留角质层无法到达真皮层，降低药物递送剂量。

2.4 可溶微针

可溶微针（Dissolving microneedles）是将生物可降解的聚合物材料和药物制备成微针，在刺入皮肤后，由可降解材料构成的针体会在微环境中逐渐降解，药物同步释放，药物分子穿过角质层屏障，经皮下组织吸收进入人体。可溶微针药物递送无需像其他微针那样形成微孔道递送药物后移除针体，极大地改善了病人依从性，同时不重复使用微针也降低了交叉感染的风险。故也用“poke and release”来表述可溶微针。

所以，微针的针头是可溶微针开发的关键，常用聚合物材料的有聚乙烯醇（Polyvinylalcohol，PVA）、聚乙烯吡咯烷酮（Polyvinylpyrrolidone，PVP）、透明质酸（Hyaluronicacid，HA）、右旋糖酐（Dextran，Dex）、壳聚糖（Chitosan，Cs）、海藻酸钠（Sodiumalginate，Sa）等，也有用制备微球的材料例如聚乳酸（Polylacticacid，PLA）、聚乳酸-羟基乙酸共聚物（Poly(lactic-co-glycolicacid，PLGA）等制备微针。聚合物可溶微针的主要制备技术包括铸造、热压、注射成型和微塑模法，相比于其他微针，极大地降低了生产成本。

目前可溶微针是整个微针行业的主流，其主要优势为：能实现高效药物递送，精准控制载药量和微针形态可实现对药物的控释；生产工艺条件温和，保证药物在生产过程中的稳定性；使用生物可降解和生物相容性材料，避免创口感染，安全性高。而制约可溶微针发展的主要障碍是制备材料，能满足要求的材料除了具有生物可降解和生物相容，还必须有足够的机械强度，否则微针无法穿刺皮肤用于药物递送，相信随着现代材料技术的发展，这些问题都能得到妥善解决。

2.5 水凝胶微针

水凝胶微针（Hydrogel forming microneedles）是由水凝胶聚合基质制备而成，制备方法与可溶微针相似，被认为是可溶微针的亚型，但个人认为这是介于空心微针和可溶微针之间的一种类型。通常采用交联态的水凝胶或者超溶胀聚合物制备而成。水凝胶微针给药时，微针阵列刺入皮肤后迅速吸收细胞间质液进入其网格中，实现材料膨胀但不溶解的特性。此时，凝胶内产生可药物递送的微孔道，药物在组织液的渗透和扩散作用下，经水凝胶的微孔道递送进入人体。

水凝胶微针的载药形式可分为两种：预置于微针基底部、药物与材料共同形成针体。无论是哪种载药形式，都是在水凝胶吸水形成递送通道后，经通道递送入人体。因此，材料形成的孔道是药物递送速率的决定性因素，而材料的交联程度决定其吸水膨胀时微孔道的紧密程度。

水凝胶微针能够在一定程度上抵抗皮肤孔隙闭合的问题，药物递送完后可以被完整去除，不存在针体残留问题。并且制备工艺简单，易于商业化放大生产。限制水凝胶微针的可能是制备材料的问题，如果发展生物相容性更好的水凝胶材料，或许更能促进该类微针的发展。

2.6 冷冻微针

冷冻微针（Cryo microneedles）是香港城市大学（CityU）科学家最近开发的一种新型微针技术，一种短于1mm的冰冻微针，针体内装载和储存活的哺乳动物细胞，经皮内递送将治疗性细胞递送入皮肤层。给药时将载有冷冻微针阵列贴片状装置放在皮肤上，冷冻微针穿刺入皮肤，从装置底座脱离后融化，释放针体内的细胞，随后迁移并在皮肤内增殖。这种创新技术微针可以在常规存储条件下中储存数月，运输和使用很便捷。

冷冻微针的最大临床潜力是将其用于树突状细胞（Dendritic cells，DC）疫苗的皮内递送，因为目前的树突状细胞疫苗方案中血液的采集和树突状细胞的生产耗时耗力，且价格高昂，临床应用极其受限，冷冻微针可以解决这些问题。

冷冻微针也有很多问题需要解决：首先是材料问题，必须拥有可满足商业应用且符合治疗标准的材料；其次是生产条件问题，冷冻微针需要在低温下制造，低温灭菌是否能达到无菌标准；最后是载药量问题，冷冻微针的针体内能否负载足够的细胞用于药物递送。

尽管如此，冷冻微针开启了微针应用于细胞治疗领域的全新时代，为细胞治疗提供了另一种简便、安全、高效和微创的发展策略。

三 制备技术

不同种类的微针需要采用不用的制备技术，这主要是因为所选材料性质的不同。随着各类技术的发展，能制备微针的材料越来越多，由最早的硅材料到金属再到聚合物材料，能选择的制备技术也从化学蚀刻技术和微机电系统加工技术发展到激光镭射技术和模具注塑技术等。

1．化学蚀刻技术

化学蚀刻（Chemical etching）技术的实质是对光滑平整的材料表面进行微针化处理。化学蚀刻技术的整个制备过程可分为两部分：光刻和蚀刻。

光刻是用光线对材料表面进行有选择性地降解处理。光刻步骤如下：

（1）在具有一定湿度的氧气中对材料进行高温氧化处理，在材料表面形成薄膜氧化层，薄膜氧化层的厚度就是微针的长度。高温氧化的温度根据材料的理化性质而定，比如硅材料的高温氧化温度为700~1150℃。

（2）用光敏剂涂抹薄膜氧化层，再将紫外光线透过光栅对氧化层上涂抹的光敏剂进行照射，接触到紫外光线的光敏剂会发生降解，而未接触到紫外光线的光敏剂依旧在材料表面。

（3）洗去材料表面光敏剂的降解产物，其后的材料氧化层便暴露出来，而未发生降解的光敏剂呈点状分布于材料表面。

经三步完成光刻后，接着进行蚀刻：

（1）移除材料表面的裸露的氧化层，被光敏剂覆盖的部分依旧残留在材料表面，呈针状结构。移除氧化层的方法可采用化学溶解移除，也可以采用物理撞击移除。

（2）用紫外光线对针状结构的针尖部分光敏剂进行降解处理，溶剂洗去降解产物后便可收集微针。

以化学蚀刻技术制备微针时，氧化层的厚度决定了针体的长度，光栅的缝隙决定了针体的密度。该制备过程较为复杂，且针体多为柱状，针尖不够锋利，对皮肤的穿刺效果不太理想。

2．电系统加工技术

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