Advanced Healthcare Materials:用于治疗疼痛的集成热传感器微针经皮给药系统

腰背痛是最常见的疾病之一,约25%的成年人在过去三个月内有过持续至少一天的腰背痛。 相比于口服药物,局部经皮给药可减少口服止痛药带来的消化道副作用,并避免了药物在肝脏的首过效应。在过去的几年,经皮给药的方式已经从早期的局部止疼贴发展到近期微针贴片。由于皮肤角质层的保护作用,对于早期的局部止疼贴,只有小分子的药物才能靠渗透进入皮肤。而新发展的微针贴片则可以刺穿皮肤的角质层直接将药物释放至皮下,从而极大地拓宽了给药种类和药物渗透的速度。 为了保证皮肤的穿透率和药物精准释放,科学家们开发了不同材料和形状的微针贴片,包括固体针头、药物涂层针头、空心针头、生物可溶解针头等。同时也发展了超声波、电离子渗入、电穿孔、化学增强剂等方法与微针相结合方式,以达到药物释放的可控性和准确性。

利用加热可以止痛和促进局部液体加速扩散的原理,美国University of Virginia的Baoxing Xu和Xudong Li课题组的研究人员开发了一种集成加热器件的微针给药系统,从而提高给药的效率。

这种新型的微针给药系统必须做到简单、可靠、有效、安全、易生产。3D打印技术的发展提供了一个可能的解决方案。因为人体皮肤随着动作而改变弯曲度, 3D 打印的器件既要具有伸展弯曲的功能又要保证结构的完整性,基于传统平面基底上进行的3D打印技术必须适应于弯曲表面的要求,并保证打印结构的完整性。研究人员首先建立了液滴在固体曲面上的形态理论模型,确定了打印基底曲率与打印液滴大小之间的关系,并据此优化了由多壁碳纳米管与聚二甲基硅氧烷混合而成的复合打印墨水, 成功地将加热器件直接打印在了不同弧度的材料表面上,比如苹果和带着手套的手背。为了增强加热器件的热电效率,他们通过改变打印墨水的粘性极大地提高了多壁碳纳米管在复合墨水中的比例(高达45%),并改善了后期退火处理技术以达到克服加热器件产生裂纹的难点。另外,为了防止加热器件从微针贴片上脱落,研究人员还提出了增强加热器与贴片结合强度的措施。以Cy5作为模型药物的小鼠实验表明,集成有加热器的微针贴可以增加药物释放的速度和渗透的深度。实验前后微针长度的变化和老鼠皮肤内荧光的多少也进一步验证了这种新型微针给药系统的优势。

相关论文在线发表在Advanced Healthcare Materials (DOI: 10.1002/adhm.201901170) 上。