作者

劉秋杏，鄧潔，崔升淼

廣東藥科大學中藥學院

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的孔道，促進生物大分子類藥物和難溶性藥物分子的滲透，進而克服了傳統(tǒng)藥物經(jīng)皮滲透率低的問題。水凝膠微針具有一定的機械強度，可穿刺皮膚角質(zhì)層，吸收皮膚間組織液，在皮膚生物標志物的識別方面發(fā)揮重要作用，是近年來的研究熱點之一。筆者從水凝膠微針的形成機制、透皮給藥應(yīng)用方面以及存在的一些問題總結(jié)了近年國內(nèi)外的相關(guān)代表文獻，并展望了這一領(lǐng)域的未來發(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)末梢和毛細血管等。藥物主要通過細胞內(nèi)、細胞間和跨膜運輸3種途徑在皮膚中擴散［2］。皮膚附屬物僅占體表總面積的0.1%，對離子和不能自由穿透角質(zhì)層的強極性分子的運輸起著至關(guān)重要的作用。此外，角質(zhì)層的結(jié)構(gòu)和厚度會隨著年齡、環(huán)境及病理條件等方面而發(fā)生改變，影響藥物分子的滲透。然而，由于角質(zhì)層要保護皮膚免受病原體和身體的攻擊，皮膚會變得堅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、避免肝臟的首過效應(yīng)和胃腸道的藥物降解等優(yōu)點而備受關(guān)注［4］。滲透增強技術(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)由單個或多個微米級別的針頭組成，直徑一般為幾百微米，高度可達毫米級別，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。水凝膠微針分為天然水凝膠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、可降解性和無毒性而受到越來越多的關(guān)注［7］，使得水凝膠微針成為了微針領(lǐng)域的研究熱點之一。筆者從水凝膠微針的形成機制、應(yīng)用研究以及存在的一些問題總結(jié)了近年國內(nèi)外的相關(guān)代表文獻，并對這一領(lǐng)域的未來發(fā)展進行展望。在Web of Science以“hydrogel microneedle”為關(guān)鍵詞檢索近10年水凝膠微針發(fā)表的文獻情況，見圖1。

1、水凝膠微針的形成機制及制備

水凝膠微針具有足夠的機械強度穿透皮膚，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，打開了藥物釋放的擴散通道，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多種機制實現(xiàn)，包括聚合物鏈的物理交聯(lián)、靜電相互作用和共價化學交聯(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，減少藥物在運輸過程的損失，增強藥物的療效。這一類聚合物還具有廣泛可調(diào)的物理和化學性質(zhì)［8］，能協(xié)助治療過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一定的方法注入微針模具，靜置干燥一定時間后脫模，并需干燥保存。水凝膠的凝膠化機制和水凝膠微針的透皮機制見圖2。

1.1物理交聯(lián)

許多天然聚合物，如海藻來源的多糖和動物來源的蛋白質(zhì)，包括瓊脂糖，透明質(zhì)酸，膠原蛋白等，可形成熱驅(qū)動水凝膠。在凝膠化過程中，由于溫度的變化，聚合物鏈會發(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，見圖2A。溫度升高或降低，可能導致熱凝膠化，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，當溫度降低到UCST以下時，其他一些大分子就會表現(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性能較差，溶脹是導致水凝膠弱化的關(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、熱塑性和韌性強的特性，加熱時顯示很高的延展性，但冷卻到室溫后轉(zhuǎn)變?yōu)闃O強的韌性［11］。物理交聯(lián)無需使用化學交聯(lián)劑，具有良好的生物相容性與安全性，能實現(xiàn)循環(huán)利用，但這一類水凝膠韌性較強，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)復雜，根據(jù)主鏈的長短會產(chǎn)生不同程度的靜電作用，見圖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電，但當氨基占主導地位時(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)/丙烯酸樹脂(PAA)對。海藻酸鹽由甘露糖醛酸鹽和葡萄糖醛酸單體組成，帶負電，可與其他分子的陽離子基團發(fā)生靜電結(jié)合，形成水凝膠。大多海藻酸鈉凝膠優(yōu)勢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散。若改變交聯(lián)和凝膠藥物鍵的形成，則可延長藥物釋放時間。

分子間電荷的相互作用大小會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GＲ-MN暴露于高血糖條件下時，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)中的負電荷，增強微針的膨脹，引發(fā)微針裝載的胰島素快速擴散到皮膚組織中。同時，負電荷密度的增加也減弱了帶正電荷DMAEA分子與帶負電荷胰島素分子之間的靜電相互作用，進一步促進了胰島素的釋放。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胰島素釋放。靜電交聯(lián)方式制備的水凝膠最大優(yōu)勢在于達到對藥物的可控釋放，但載藥量較少，需要持續(xù)釋藥方可達到可觀的治療效果，還有可能給患者帶來疼痛感。

1.3化學交聯(lián)

與物理交聯(lián)相比，化學交聯(lián)在穩(wěn)定水凝膠基質(zhì)方面效果更好，在凝膠化過程中大大提高了靈活度和時空精度，見圖2C。傳統(tǒng)化學交聯(lián)機制包括縮合反應(yīng)、自由基聚合和醛互補等［14］。在細胞中可直接發(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］展示了一種新的無機交聯(lián)方法，把透明質(zhì)酸鈉(HA)與氨基硅烷進行化學修飾，后與有機-無機硅氧烷結(jié)構(gòu)交聯(lián)合成3D雜化水凝膠，新型無機交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)為HA提供了強化學鍵，限制了其天然親水性和改善了流變性能。交聯(lián)機制的轉(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)氨基酸序列來實現(xiàn)位點特異性的化學交聯(lián)和熱響應(yīng)性的物理自組裝，同時控制化學交聯(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。相對于物理交聯(lián)和靜電交聯(lián)，化學交聯(lián)的生物相容性和安全性低，無法實現(xiàn)循環(huán)利用。

盡管每種凝膠化方法都有其優(yōu)點和局限性，但該領(lǐng)域一直向結(jié)合多種組分和/或機制以實現(xiàn)改進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，通過水凝膠纖維交聯(lián)密度調(diào)節(jié)藥物遞送速率，實現(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、甲基丙烯酸類聚合物等)，分子間可通過物理交聯(lián)、靜電相互作用或者化學交聯(lián)形成水凝膠，最后通過模板法制備得水凝膠微針。天然高分子可經(jīng)過化學活性部分改性，在其主鏈上提供交聯(lián)位點。Luo等［18］利用甲基丙烯酸基團對透明質(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械強度，可穿透皮膚的角質(zhì)層，直達病變部位進行藥物的可控定位釋放。

2、水凝膠微針的國外應(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，檢測人體重要的生物標志物，如葡萄糖［21］、核酸［20，22］、蛋白質(zhì)等;②治療方面:用于腫瘤、糖尿病［23］、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)的一系列生物標志物。近年來，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，主要通過從液體活檢中取樣，減少血液污染的風險，檢測無細胞核酸生物標記物。水凝膠微針要求材料具有優(yōu)異的溶脹能力，以一種無痛和微創(chuàng)方式提取皮膚間質(zhì)液，檢測特定的生物標志物。現(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行臨床分析。為縮減取樣時間，很多學者致力于研究新型水凝膠微針。Dana Al Sulaiman等［20］設(shè)計了一種海藻酸鈉-肽核酸雜交材料的微針，見圖3，在2 min內(nèi)取樣6.50μL液體，分離和檢測皮膚間質(zhì)液中核酸生物標記物的特異性序列，同時使捕獲的miＲNA能夠被原位檢測。克服了以往微針低采樣容量(小于2μL)和長采樣時間(大于1 h)的缺點。Zheng等［24］介紹了一種滲透壓驅(qū)動的水凝膠微針，由滲透質(zhì)(麥芽糖)和水凝膠(甲基丙烯酸)組成。在提取過程中，滲透壓細胞溶解在基質(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，而對照組(即不含滲透壓細胞的水凝膠微針頭)需要10min以上才能達到類似的效果。提取出的ISF可以定量生物標記物，如葡萄糖和萬古霉素［25］，同時釋放一定量的治療藥物，如胰島素。通過與電子葡萄糖傳感器的集成，整個系統(tǒng)可以直接、快速地分析提取葡萄糖。這種檢測方式便于檢測患者體內(nèi)的靶分子，為糖尿病患者的治療提供理論依據(jù)。Chen等［23］制備了一種無電子、無酶、無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個月，以一種安全、經(jīng)濟有效、便利的方式實現(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，He等［21］研制了一種聚乙烯醇(PVA)和殼聚糖(CS)水凝膠微針，用于護理點測試(POCT)。PVA/CS水凝膠微針干燥后機械強度增強，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)檢測兔皮膚中葡萄糖水平，為基于皮膚的POCT提供了一個更大的發(fā)展平臺。

循環(huán)細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、簡便地捕獲EB病毒無細胞DNA(EBV-Cf-DNA)。體內(nèi)實驗結(jié)果表明，EBV-DNA是從鼻咽癌細胞瘤中釋放出來，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)疾病和對癌癥轉(zhuǎn)移患者具有廣泛的微創(chuàng)意義，有助于未來制定后續(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)治療范圍已擴展至多個醫(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)過物理或化學交聯(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。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，從而進一步改變水凝膠的機械和藥物釋放性能，可實現(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)切除對患者的傷害極大，且存在容易復發(fā)的風險。藥物化療會給患者帶來巨大的疼痛感和精神壓力，且易產(chǎn)生嚴重的副作用和癌細胞的耐藥性。給藥方式有注射、口服給藥等多種全身給藥方式，導致藥物生物利用度低，也帶來很多不良反應(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，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，同時捕獲小分子并形成包合物，作者首次設(shè)計了一個三維皮膚癌篩查模型，將黑色素瘤細胞B16F10球狀體嵌入水凝膠微針中，微針能夠穿透細胞外基質(zhì)并有效地將治療藥物輸送到靶點。通過比較球體對GelMA-β-CD/CUＲ(姜黃素)非透皮貼片的反應(yīng)來評估微針的療效，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。GelMA和β-CD這2種材料在改善親油性化合物的遞送和開發(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胞(APCs)和朗格漢斯細胞，皮膚組織中的天然免疫微環(huán)境能與運送的藥物協(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)，促進了樹突狀細胞的成熟和免疫刺激性細胞因子的分泌。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120 d內(nèi)無復發(fā)存活。微針作為免疫原性細胞死亡(ICD)誘導劑和免疫治療劑的載體具有獨特的優(yōu)勢:①通過將載藥針尖嵌入淺表腫瘤大大提高了ICD誘導劑在損傷部位的積累;②通過設(shè)計良好的陣列結(jié)構(gòu)，提供空間可控的藥物分布和滲透;③豐富的免疫增強劑有助于提呈抗原，增強了免疫應(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，實現(xiàn)藥物的緩釋。Tra還可以逆轉(zhuǎn)P-糖蛋白介導的多藥耐藥，有效阻斷P-糖蛋白對DOX的外排。結(jié)果顯示了同時釋放Tra和DOX，在B16細胞異種移植裸鼠模型中達到協(xié)同作用。這種新型微針的優(yōu)勢在于藥物的可控釋放，進而避免藥物帶來的不良反應(yīng)。

2.2.2糖尿病的治療

糖尿病是最常見的慢性病之一，其血糖水平難以控制。患者需要每天檢測血糖水平，并定期注射胰島素或服藥以持續(xù)控制血糖水平。然而，反復采血和注射胰島素會給患者帶來巨大的疼痛和壓力。胰島素過量會導致癲癇發(fā)作、意識喪失、甚至死亡。水凝膠微針的檢測能達到無痛取樣的效果，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，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的針型，解決了微針溶解在皮膚內(nèi)的安全性問題，為持續(xù)釋藥提供了機會。

Wang等［31］采用另一種方式調(diào)節(jié)血糖水平，他們設(shè)計了一種核-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，外殼嵌入過氧化氫酶(CAT)，對升高的血糖濃度具有響應(yīng)性。為實現(xiàn)對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)對胰島素進行化學修飾，然后裝載到水溶性PVA基質(zhì)上。當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痛新技術(shù)，提高了生物相容性。

2.2.3其他疾病的治療

類風濕性關(guān)節(jié)炎是一種涉及多個關(guān)節(jié)的系統(tǒng)性疾病，病因和發(fā)病機制極為復雜，發(fā)病部位涉及多個關(guān)節(jié)，早期的藥物治療方式多為口服，但長期服用抗風濕病藥物會出現(xiàn)明顯的毒副作用，最后導致臨床療效逐漸下降，使患者的病情無法得到有效的控制。在臨床環(huán)境中通過局部注射一定劑量的藥物不僅需要專業(yè)的操作，還可能帶來關(guān)節(jié)損傷和感染的風險。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修飾的適體用于類風濕性關(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，通過穿刺皮膚，快速釋放DTA6進入真皮。結(jié)果顯示，DTA6顯著降低炎癥ＲAW264.7細胞的DEK表達，保護小鼠關(guān)節(jié)免受軟骨/骨侵蝕。相對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，還可以通過調(diào)節(jié)適體溶液的濃度來控制水凝膠微針的負載量，避免了制備過程適體的浪費和損失，見圖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藥物或手術(shù)來降低眼壓，因此難以避免藥物及術(shù)后帶來的副作用。CHAE等［33］利用微針注射原位形成的水凝膠來擴大眼睛的脈絡(luò)膜上腔，增加眼房水排出，從而降低眼壓達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、無藥物的治療方法，為青光眼的治療開辟了新途徑。

3、水凝膠微針的國內(nèi)應(yīng)用研究

目前國內(nèi)針對水凝膠微針的研究較少，主要集中于促進疏水性藥物的經(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)果驗證了水凝膠微針可促進蛋白藥物的快速釋放。此方法用于生物類大分子的載藥研究，適合快速釋藥的情況。也有一些研究者驗證了水凝膠微針可促進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，但驗證方法只是采用了Franz擴散池和動物皮膚釋放實驗，缺少進行動物體內(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題分析

水凝膠微針分為溶解微針和可降解微針，具有一定的機械強度穿透皮膚，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題。

4.1生物安全性的問題

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］往往會忽略基質(zhì)溶解在皮膚后的去向或缺乏進行相關(guān)的實驗驗證基質(zhì)對皮膚的安全性。這一類微針不適用于每日給藥，若每天或短時間內(nèi)通過微針給藥，基質(zhì)在皮膚中的停滯時間會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藥物遞送。②在制備過程中常用的有機溶劑如四氫呋喃、氯仿、二甲基亞砜等可能在微針中存在溶劑殘留，在使用后可能對患者的皮膚產(chǎn)生刺激性，帶來一定的安全隱患。

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健康組織毒性等方面的安全性問題進行系統(tǒng)評估。另外，探究微針在皮膚內(nèi)溶解釋放后藥物釋放分布動力學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間對藥物釋放量、藥物種類也缺乏一個具體有效的評判標準。微針的載藥量小，需連續(xù)給藥，才有可能達到藥物的有效濃度，如何制定微針的載藥量標準，后期還需加大研究力度。現(xiàn)在大部分種類微針的制備都無法滿足上述因素，因此難以進入臨床研究階段。

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ISF葡萄糖微針傳感器已經(jīng)上市銷售，見表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)勢在于對藥物的可控釋放及原病變部位的定點釋放，可通過調(diào)節(jié)遞送藥物的濃度來控制安全范圍內(nèi)的用藥分量。此外，通過對水凝膠微針的制備材料進行一定的功能修飾，比如一些光熱材料(金納米棒、普魯士藍、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)生對外源刺激(溫度、磁場、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，同時結(jié)合遞送的藥物分子、抗體、核酸等，能達到對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這一方面的研究力度。當然針對水凝膠微針生物安全性和自身存在的問題，若能克服這些挑戰(zhàn)，相信微針的智能化、便攜化是大勢所趨，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)域未來的研究熱點。

參考文獻

詳見中國藥學雜志2021年6月第56卷第12期