微针，又一篇《Nature Communications》

皮肤注射为大多数生物治疗药物和疫苗的给药提供了便利，通常是通过皮下注射针进行注射。然而，确保患者遵从长期、重复的药物治疗仍然是一项重大挑战。皮下注射提供了一种低成本、快速的给药方法，但安全处置、潜在的血源性病原体传播以及需要训练有素的人员等问题阻碍了这种方法的广泛应用。近来，经皮给药策略取得了进步，如声波透析、电离子透析、电穿孔、光机械波、热、微针（MN）等技术大大改善了药物在皮肤中的渗透过程，提供了安全无痛的操作和易于使用的程序。然而，由于缺乏一种自动机制来实现长期、积极、精确和协调的给药，这些技术在慢性病药物管理方面的适用性受到了阻碍。这一问题对于慢性病尤为关键，包括糖尿病、高脂血症、哮喘、抑郁症及其他需要重复给药的疾病，而动态个性化给药时间表可提高药物疗效并降低药物毒性。然而，大多数现有的给药设备在以数字方式自动给药方面能力有限，尤其是在医院以外的环境中，而且只能以舒适、持久的方式自动给药。

来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校的Juan Song和Wubin Bai团队报告了一种时空按需贴片（SOP），它将药物微针与生物相容性金属膜集成在一起，实现了电触发主动控制药物释放。它能精确控制目标位置（<1 平方毫米）的药物释放、对电触发的快速药物释放反应（<30 秒）以及涉及药物释放和电刺激的多模式操作，这些特点凸显了它的新颖性。新的制造工艺确保了 SOP 的高度可定制性和可扩展性，使其能够满足各种制药需求。这种无线供电和数字控制的 SOP 在实现全自动给药方面大有可为，既能提高用户的依从性，又能确保医疗精度。基于这些特点，本研究在睡眠研究中使用了 SOP。本研究发现，从 SOP 中程序化释放外源性褪黑素可改善小鼠的睡眠，这表明它在基础研究和临床治疗方面具有潜在价值。相关工作以题为“Digital automation of transdermal drug delivery with high spatiotemporal resolution”的文章发表在2024年01月15日的国际顶级期刊《Nature Communications》。

1. 创新型研究内容

本研究开发了一种皮肤界面给药系统，该系统利用电触发门控 MNs 实现按需给药，并具有高时空可控性。该给药系统被命名为时空按需贴片（SOP），它在 MNs 上镀了一层薄金层（约 150 nm），以实现待机阶段的药物封装和保护。持续 30 秒的小电流触发（约 2.5 V，直流）可有效瓦解金涂层，使药物暴露出来，从而开始给药。微加工工艺使金层电路设计成为可能，通过无线通信模块（如近场通信、蓝牙低能耗）实现单个 MN 或子部分的释放触发。将金层直接沉积到 MN 上，克服了与带有独立金属栅极的储层系统相关的制造复杂性和设备坚固性方面的限制。单个 MN 药物释放的超精细空间控制（小于 1 平方毫米）、药物释放高时间分辨率（小于 30 秒）的主动管理、无线操作和舒适的可穿戴性突出了 SOP 的性能。使用荧光染料进行的台式实验和通过颅内注射进行的体内研究都表明，SOP 作为一种通用、完全无线、可穿戴的平台，在进行个性化、慢性给药以提高药效和用户依从性方面具有巨大潜力。此外，通过颅内注射 SOP 进行的活体实验也揭示了它在神经治疗和调节方面的潜在用途。SOP 的高时空分辨率和按需释药功能使其成为利用模型动物进行脑研究的先进工具，尤其是在研究神经回路图以及神经活动与行为之间的因果关系方面。SOP 能够按顺序主动向与神经系统疾病相关的特定脑区释放治疗药物，这可能会加深我们对这些疾病潜在机制的了解。这种洞察力可以帮助我们开发出更有针对性的治疗方法，治疗帕金森病、癫痫、抑郁症和阿尔茨海默病等疾病。

【时空按需补丁（SOP）的配置和特征描述】

图 1a 着重介绍了 SOP 的设计，它由两个主要部分组成：i) 装有药物的微针 (MN) 贴片，贴片上有电化学触发金属层（金）作为给药界面；ii) 近场通信 (NFC) 模块，用于无线控制触发信号，以控制药物释放的位置和时间。柔性印刷电路板（PCB）提供相互连接的线路，将这两部分集成在一起，形成一个完全无线的可穿戴给药系统。给药界面的主体（MN 阵列）使用聚（D，L-乳酸-共聚乙二醇）（PLGA）作为基质材料，它与生物流体接触时会发生大量侵蚀，生成生物良性副产物（乳酸和乙醇酸）。如图 1b 所示，制作方法是通过溅射沉积，在以聚乳酸乙腈橡胶（PLGA）为基质的载药 MN 阵列上镀上一层薄薄的金（厚度为 150 nm）。金封装层支撑在固体 MN 表面，与之前报道的储层设计（金层厚度超过 300 nm）相比，厚度更薄（150 nm）的金层具有足够的稳定性。因此，实现有效药物封装的厚度可以更小。利用激光束进行烧蚀，确定与分离的 MN 域相连的金迹，从而实现药物释放的空间控制。在电路基底区域的金层上覆盖一层薄薄的聚二甲基硅氧烷 (PDMS)（厚度为 10 µm）。它只露出 MN 区域，使 MN 上的金层与生物流体发生物理接触。

图 1c 和 d 展示了本研究的 SOP 实现高精度药物释放的整体工作机制：电触发的金保护层缝隙腐蚀是启动特定 SOP MNs 组合释放药物的开关。在皮肤上部署 SOP 时，MNs 处于待机状态，药物完全受到金保护层的保护。一旦施加直流（DC）电触发器（2.2-3 V），触发的 MNs 就会开始发生电化学腐蚀，使其从待机模式过渡到释放模式。经过很短的时间（施加 2.5 伏电压时小于 30 秒），MN 上的金保护层完全溶解，MN 暴露在生物环境中，实现药物释放。通过与微控制器的兼容集成，可以在精确的时间点操纵电触发器，实现精确给药。通过微细加工将金层图案化，SOP 可以实现高空间分辨率（约 1 平方毫米）的药物释放空间轮廓。SOP 中还集成了一个内置阳极，以完成体内电化学腐蚀的电路。

图1 用于无线主动控制给药的时空按需贴片

【电触发缝隙腐蚀的特征描述】

图 2 展示了 SOP 主动控制药物释放的特性（基于 1.2 毫米高、150 纳米镀金的 MN）。药物释放控制操作包括三个阶段：(1) 待机阶段，此时 MNs 完全镀金（标记为 0 分钟）；(2) 过渡阶段，此时电触发器被激活，金层部分溶解（标记为 0.5 分钟）；(3) 释放阶段，此时金完全溶解，MNs 暴露于生物流体（标记为 2 分钟）。此处使用 1X 杜氏磷酸盐缓冲盐水（DPBS，康宁公司）模拟体内生物流体。实验在室温下进行，由 2.5 V 直流电触发。图 2a 显示了 MN 阵列在不同阶段的光学和扫描电镜图像，表明与电触发缝隙腐蚀相关的表面颜色和粗糙度发生了明显变化。结果表明，MN 的主要结构在过渡阶段保持稳定，电触发器有效地将金溶解到生物流体中，并充分暴露出核心 MN。直流电位可在 2 分钟内触发金层的电化学腐蚀，这对及时响应给药具有临床意义。本研究对不同电位下的电流密度进行了定量安培计研究，以了解电触发行为。图 2e 显示了 SOP 触发的 I-V 测量结果，MN 阵列（长度为 1.2 毫米，镀金 150 纳米）的电位偏置范围为 2.0 V 至 2.8 V。在 2.8 V 的偏压下，电流密度在 15 秒后急剧下降，表明电化学腐蚀已经结束。电流下降出现的时间随着电位偏置的降低而增加。

图2 用于主动控制药物释放的电触发封装技术

【微针贴片的释放控制和电触发】

图 3a 展示了金涂层在微针上的封装性能。本研究将荧光染料罗丹明 B（Thermo Scientific 公司）装入微针贴片（重量为 0.3%，每个 MN 约 90 毫微克）以模拟小分子药物，随后可通过紫外可见光谱对其进行定量。图 3a、b 显示了罗丹明 B 从裸露的 MN 贴片（长 1.2 毫米）和带有 100 纳米金涂层的 MN 贴片（长 1.2 毫米）中的释放曲线。释放研究在 45℃ 1X DPBS 中进行。如图 3a 所示，无金涂层的 MN 贴片明显褪色，吸光度明显增加（蓝色，无金涂层，图 3b），表明染料成功释放到生物液体中。经计算，罗丹明 B 在一小时内的平均释放率为 ~ 415 纳克/分钟。相比之下，对照实验（黑色，有金涂层）的吸光度没有明显变化（图 3b），表明封装药物得到了很好的释放保护。累积释放量的计算基于罗丹明 B 溶液的校准曲线和比尔-朗伯定律。本研究进一步分析了 0.5% 琼脂模型中金涂层的稳定性，以更好地模拟动物组织的机械特性。MN 阵列（长 1.2 毫米，镀金 150 纳米）在琼脂模型中浸泡 2 周后仍保持稳定，形状或表面形态没有明显变化（图 3a）。图 3a展示了 MN 上的金膜在生物流体中浸泡和组织中机械摩擦时的稳定性。这表明金与 PLGA 之间的粘合强度足以满足植入的需要，这与之前关于金-聚合物粘合的研究相吻合。

图3 通过近场通信实现 SOP 的无线药物释放控制

【SOP 触发的时间和空间控制】

为了进一步研究 MN 贴片（图 4a）上电触发的时间和空间可控性，本研究设计了一种多域 SOP，以实现按需逐步释放。多域 SOP 由 7 个 MN 阵列域（长度为 1.2 毫米，镀金 150 纳米）组成。PLGA 贴片上的金层通过激光烧蚀进行图案化，以便单独触发各个 MN 域。然后在贴片上涂上一层 PDMS（约 10 μm），但六边形 MN 区域除外，以保护金互连在电触发过程中不会溶解。图 4c 显示了作为加速研究的 SOP 在 65 ℃ 1X DPBS 中浸泡期间，负载罗丹明 B（0.3%（重量））的七个 MN 域中的四个的电触发时间表。电触发使用 2.5 V 直流偏压，每浸泡 30 分钟间隔 30 秒。如图 4b 所示，每次间隔后，立即对环境液体进行取样，利用紫外可见光谱定量估算药物释放量。测量结果显示光谱吸光度呈多级上升，表明药物剂量在逐步增加，并证实药物在所需时间（0、30、60、90 分钟，图 4b）按需释放。图 4d 展示了通过电触发器选择性溶解金封装层分阶段释放 MN 域的过程。红色虚线圈出了每个阶段触发的特定 MN 阵列。结果证实，本研究的 SOP 利用数字电触发器实现了药物释放的时间和空间控制。

图4 药物释放的时空控制特征

【颅内给药 SOP 演示】

本研究使用C57/B6小鼠并植入SOP，测试外源性时空控制褪黑激素在皮层深部（主要由褪黑激素受体分布）的释放会如何影响睡眠-觉醒周期。SOP提供的褪黑激素释放的高时空可控性可能为了解大脑对褪黑激素的区域反应和研究睡眠-觉醒障碍的病理提供新的机会。将褪黑激素装入 SOP 的 MNs 时，采用的是溶液制造法：溶解在丙酮中的褪黑素可与前体聚乳酸（PLGA）溶液混合，从而确保每个 MN 的装载量（10-35 wt%）。制造 3 毫米 MN 时，PLGA 与褪黑素的比例从 10:1 到 2:1（图 5a）。此外，如图 5a 中的红线所示，药物可集中在 MN 的顶端周围，从而确保小鼠的脑深部给药。根据混合比例，每个 MN 的褪黑素有效载荷估计为 22.2 至 81.7 微克，与小鼠的推荐剂量（4-20 毫克/千克）相当。

在铸模过程中，可通过加入不同的聚乳酸（PLGA）溶液来调节药物载量。此外，用于颅内给药的 3 毫米高的 MN 的机械性能是通过断裂测试确定的。PLGA MN（长度为 1.2 毫米）的极限强度是由力-位移图中的第一个断裂点确定的，如红色框标示的那样（图 5b）。该断裂点由测量力的突然下降决定，对应于 MN 的初始断裂，随后在 MN 的不同位置出现多处断裂。计算得出的最大机械强度为 118 兆帕，这对于人体皮肤穿透具有足够的刚度。计算时考虑了在第一个断裂点测得的压力，而 MN 的接触面积是根据尖端直径（约 30 μm）近似得出的。另一个值得关注的问题是植入过程中金层的稳定性。本研究发现：穿透测试前后的 PLGA MN（150 nm 镀金，1.2 mm）没有观察到明显的变化。

图5 SOP 的活体演示

【微针脑内给药评估】

首先，本研究通过立体定向将MN植入小鼠内侧前额叶皮层（mPFC）（每只小鼠一个MN，图6a），对Mel-MN和空白对照（未加载褪黑素的MN）进行体内药物释放实验。恢复一周后，使用 Pinnacle 睡眠系统（Sirenia Acquisition）记录脑电图和肌电图分析。从 19:00（活跃期）到 22:00，Mel-MN 组与对照组的功率密度进行了比较（图 6b）。与对照组相比，3 小时内 NREM 睡眠总量增加了 42.0%，觉醒量减少了 27.9%（图 6c、d）。睡眠状态是根据 EEG/EMG 迹线和相应的催眠图计算出来的。实验证实，Mel-MNs 能有效释放褪黑素，并能在一周内成功调节小鼠的睡眠行为。

其次，本研究进行了类似的体内实验，研究用金包裹 Au-Mel-MN 进行释放控制的可行性。本研究通过立体定向将 Au-Mel-MNs 植入小鼠的内侧前额叶皮层（mPFC）（每只小鼠一个 MN，图 6e）。为了进行有效比较，在植入一周后开始记录脑电图和肌电图，方法与上述相同。图 6f 显示了 Au-Mel-MN 组和对照组在 19:00 至凌晨 01:00（活动期）记录的功率密度，表明 Au-Mel-MN 组的三角波段功率密度明显高于对照组（P < 0.01）。与 Mel-MNs 实验相比，delta 波段脑电图功率的明显增强表明褪黑激素诱导的睡眠程度更深（图 6c，d）。与对照组的这些参数相比，6 小时内 NREM 睡眠总量明显增加了 36.7%，REM 睡眠增加了 57.8%，觉醒显著减少了 26.0%（图 6g，h）。

图6 微针脑内给药评估

从根本上说，mPFC 中褪黑素的释放诱导了活跃期 NREM 睡眠量的增加，并且在 NREM 睡眠期间比 Mel-MN 组更显著地增强了 delta 功率密度。延迟释放效应主要是由于金封装的存在。因此，褪黑素的释放峰值出现在金保护层受控降解之后。相比之下，Mel-MN 组在植入后立即释放褪黑激素，导致记录时间点（一周后至恢复期）的效果减弱。总之，这些体内实验进一步证明了 SOP 在自由活动的动物体内的程序化药物释放性能，并表明其在动物行为研究中的潜在用途。本研究发现：外源性褪黑素在 mPFC 中的程序化药物释放会改善 NREM 睡眠、REM 睡眠和 delta 功率密度，这可能是治疗睡眠障碍的一个新靶点。

2. 总结与展望

本研究开发了一种按需给药贴片，它可以通过数字控制实现空间和时间上的精确给药。这种时空按需给药贴片（SOP）使用高纵横比的生物可吸收微针作为药物载体，并使用一层薄金（厚度为 150 nm）作为释放门，该释放门可通过微小的电触发器（2.5 V，30 秒）进行数字控制。这种设计可以在单微针水平上实现对药物释放的完全主动控制，其空间分辨率小于 1 平方毫米，与大多数现有的给药装置相比具有更强的功能。这种空间分辨率允许在 1 平方厘米的薄型可穿戴贴片中容纳超过 20 个剂量的药物，确保用户舒适方便地长期坚持重复药物治疗。其制造工艺与微制造工艺兼容，可将空间分辨率进一步降低到微米级。按需快速反应药物释放可在主动电触发后 30 秒内启动。

文章来源：

https:///10.1038/s41467-023-44532-0