聚合物阵列微针及其在透皮给药系统的应用

蒲兴群，巨晓洁，2，谢锐，2，汪伟，2，刘壮，2，褚良银，2

（1 四川大学化学工程学院，四川成都610065； 2 四川大学高分子材料工程国家重点实验室，四川成都610065）

引 言

透皮给药系统是指药物以一定的速度透过皮肤、进入血液循环产生局部或全身治疗作用的一类制剂[1-2]，它不仅可以避免口服给药带来的胃肠道的副作用和肝脏首过效应，也可以避免注射给药带来的疼痛，因而受到了广泛的关注和重视。但是，由于皮肤角质层的屏障作用，只有少部分的小分子药物适用于该制剂，限制了透皮给药的应用[3-4]。目前许多研究者采用超声导入[5]、离子导入[6]、电致孔[7]、化学促渗剂[8]、阵列微针[9-10]等物理或化学的方法促进药物的透皮吸收。其中，阵列微针是长度在10～2000 μm、呈整齐阵列排列的微型针头[11]，可以穿透皮肤角质层，形成大量微米级可逆的通道而不带来疼痛和皮肤损伤，提高亲水性药物和生物大分子药物的透皮效率。阵列微针由于具有无痛、微创和高效等优点，已成为透皮给药系统领域的研究热点。

根据材料的组成不同，可将阵列微针分类为无机微针[12]、金属微针[13-15]和聚合物微针[16-20]。其中，聚合物阵列微针具有生物相容性好、给药安全、韧性好、载药量精确可控、成本低廉、易于加工成各种形态（如固体微针、涂层微针、可溶解微针、空心微针）[11]等优点，被认为是最具应用前景的一类阵列微针。近年来，研究者们利用聚合物阵列微针透皮递送亲水性药物[21-22]、基因[23-24]、蛋白质[25-26]、疫苗[27-28]等药物，用于肿瘤、糖尿病、心血管等疾病的治疗[29]。本文系统地综述了聚合物阵列微针的制备方法及在透皮给药中的研究新进展，以期为聚合物阵列微针的批量化制备和在透皮给药中的临床应用提供一定的指导。

1 聚合物阵列微针的制备方法

聚合物阵列微针的制备过程包括两个步骤：成型和固化[30]，成型过程是聚合物溶液或熔体在一定的条件下形成锋利微尺寸阵列针尖，固化过程是使其具有足以刺入皮肤的机械强度。目前聚合物阵列微针的制备方法有微模板法(micro-molding)、拉伸法(drawing techniques)、3D打印(3D printing)等[31]。

1.1 微模板法

微模板法是利用激光刻蚀[32]、离子刻蚀[33]和模板翻转[34-35]等直接或间接的方法制备具有锥形微孔结构的阵列微针模具，将聚合物溶液或熔体填充到模具中，脱模得到聚合物阵列微针。由于聚二甲基硅氧烷（PDMS）具有柔软、弹性好，与聚合物材料无黏附性等特性，是最常用的阵列微针模具之一。目前常见的微模板法包括浇铸法（casting）、热压印法（hot embossing）、注塑成型法（injection moulding）等[36]，如图1所示。

1.1.1 浇铸法 浇铸法是将药物和聚合物混合溶液浇铸在阵列微针模具上，利用离心[37]、抽真空[38]或超声[39]等方式将混合溶液充分地填入模具中干燥后制得聚合物阵列微针。该方法常用于制备可溶解（可降解）微针。常用到的聚合物材料有透明质酸（HA）[40-43]、羟甲基纤维素（CMC）[44]、聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）[21,45-46]、聚乙烯醇（PVA）[47-49]、聚乳酸（PLA）[50]、聚 己 内 酯（PCL）[51]、聚 乳 酸-羟 基 乙 酸 共 聚 物（PLGA）[52]等。浇铸法是制备聚合物阵列微针最常用的方法，因为制备的过程简单、制备条件温和、对药物的活性影响较小且不需要昂贵的设备。但是该法需要手工操作，不适用于工业化大规模生产。

1.1.2 热压印法 热压印法是将聚合物材料放置在阵列微针模具和热压印机之间，然后加热聚合物材料和微针模具至一定的温度，施加压力，使聚合物充分填充至阵列微针模具中，降温固化聚合物，减压脱模得到聚合物阵列微针。Han 等[53]利用紫外光刻和电铸制备异平面阵列微针，通过复制得到PDMS 微针模具，利用热压印法制备得到聚碳酸酯阵列微针，通过调节异平面阵列微针的长度和间距可调节聚碳酸酯微针的高度和间距。

1.1.3 注塑成型法 注塑成型是利用注塑机对预先加热为熔融态的聚合物加压，使其迅速射出填充至闭合阵列微针模具，保压冷却固化成型后，降压脱模得到聚合物阵列微针。Sammoura 等[54]采用注塑成型法制备得到环烯烃类共聚物同平面聚合物阵列微针。制备得到的微针包含一个长宽约为100 μm 的储液器，微针的长度为4.7 mm。该微针可以成功刺入鸡腿和牛肝（皮肤和组织），并将储液器中的液体输送到鸡腿和牛肝组织。

最适合用热压印法和注塑成型法制备阵列微针的聚合物材料是热塑性聚合物，例如聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚碳酸酯（PC）、聚乳酸（PLA）、聚苯乙烯（PS）等[55]。采用热压印和注塑成型法制备阵列微针的精度和生产效率较高，可以实现微针的大批量生产。但这两种方法需要特殊的设备，制作微针的成本较高，且高温或高压等苛刻的条件对负载的生物药物的活性有一定影响。

图1 微模板法制备聚合物阵列微针的示意图(a)浇铸法[31];(b)注塑成型法和热压印法[36]Fig.1 Schematic illustration of micro-molding methods(a)casting [31];(b)injection moulding and hot embossing [36]

1.2 拉伸法

拉伸法制备聚合物阵列微针是将黏性聚合物（高浓度的溶液或熔体）均匀滴于平板之上，然后在上方平铺另一块平板并缓慢拖拽，利用聚合物材料在玻璃态转变过程中弹性形变特征和流体的毛细自变细现象，通过拉伸形变将黏性聚合物制备成具有锋利尖端的微针结构。相比于微模具法，这种方法不需要模具，不需要多次填充，制备过程简单。根据制备工艺的不同，拉伸法又分为立体平板拉伸法（drawing lithography，DL）[56-59]、液 滴 吹 气 法（droplet-born air blowing，DAB）[30,60-61]、离心拉伸法（centrifugal lithography，CL）[61-62]和 电 性 拉 伸 法（electro-drawing，ED）[63]等，如图2所示。

1.2.1 立体平板拉伸法 立体平板拉伸法是拉伸处于熔融态的聚合物材料，随着聚合物温度的降低，聚合物由熔融态逐渐进入玻璃态，聚合物黏度增大，微针结构逐渐成型，随着温度进一步降低至玻璃态温度以下，完全固化得到阵列微针。大部分的热固化聚合物均适用于这种方法。如图2(a)所示，Lee等[56]利用立体平板拉伸法快速制备得到负载烟酰胺和抗坏血酸-2-葡萄糖苷的麦芽糖阵列微针，并且通过不同的拉伸方法可迅速得到不同形状的阵列微针。由于需要在高温熔融态下拉伸，因而这种方法不适用于负载热敏感药物微针的制备。

1.2.2 液滴吹气法 液滴吹气法是拉伸黏性聚合物溶液，将气流直接作用于聚合物液滴上使其固化成型得到聚合物阵列微针。如图2(b)所示，Kim 等[60]利用液滴吹气法在4～25℃的温和条件下快速制备负载胰岛素的羟甲基纤维素可溶解微针，该过程可在10 min 内完成，并且设计的两层结构的微针可提高药物的利用率。

1.2.3 离心拉伸法 离心拉伸法是利用离心力作用使聚合物液滴拉伸自成型并固化的一步制备微针的方法。不同于立体平板拉伸法和液滴吹气法需要加热或吹气等环境刺激，离心拉伸法则是在不接触环境的低温和真空条件下制得阵列微针，这种方法可以更好地维持生物药物的活性，因而该方法可用于制备对环境比较敏感的生物药物的阵列微针。如图2(c)所示，Huh等[61]以表皮生长因子和抗坏血酸为模型药物，比较液滴吹气和离心拉伸两种方法对包载的药物活性的影响。在载药24 h 后，离心拉伸法制备的载药阵列微针的抗坏血酸的自由基清除活性维持在88.24%±0.78%，大于液滴吹气法制备的载药微针的抗坏血酸的自由基清除活性67.02%±1.11%，该结果表明离心拉伸的制备和干燥条件对载药阵列微针的影响较小，从而对这两种模型药物的活性影响也最小。

1.2.4 电性拉伸法 电性拉伸法则是利用电牵引力在室温下直接快速地制备聚合物阵列微针[63]，如图2(d)所示。这种方法相比前面的几种拉伸法，微针结构的形成不依赖于框架与液滴之间的相互作用力，而是通过程序可控操作电牵引力即可，重复性较好，但其操作较为烦琐。

1.3 3D打印

3D 打印是利用计算机辅助软件生成的三维数学模型，通过逐层叠加来制造产品的快速成形技术[64]。目前制备聚合物阵列微针的3D 打印方法主要是基于光聚合技术[65]，因而该方法常用到的聚合物材料是可光聚合衍生物。如图3 所示，Johnson等[66]利用最新的3D 打印技术——连续液面生产（CLIP）法，制备了具有不同形状的聚合物阵列微针，并使用了不同的聚合物材料来制备阵列微针，包括甲基丙烷三丙烯酸酯（TMPTA）、聚丙烯酸（PAA）、聚己内酯和聚乙二醇（PEG）。该方法可以在2～10 min 内一步连续地完成微针的制备。3D 打印技术具有操作简单、精度可控、灵活性高、材料利用率高等优点，为设计个性化阵列微针提供了新思路；但是，该方法不适用于载有紫外光敏感药物的微针的制备。

2 聚合物阵列微针在透皮给药系统的应用

2.1 肿瘤治疗

图3 3D打印法制备聚合物阵列微针的示意图[66]Fig.3 Schematic illustration of 3D printing method [66]

浅表皮肤癌症（如鳞状细胞癌、恶性黑色素瘤、人类表皮样癌等）是人类常见的恶性肿瘤之一。手术切除对患者的伤害大，愈合慢，且存在复发的风险。药物化疗存在多次频繁注射，给患者带来疼痛和精神压力，且可能产生癌细胞的多重耐药性及严重的副作用。聚合物阵列微针透皮给药是一种无痛、微创的给药方式，可以局部将药物释放至肿瘤组织，提高治疗药物的传递效率和降低药物的副作用。因此聚合物阵列微针在浅表皮肤癌治疗中具有广阔的应用前景。

目前聚合物阵列微针常被负载化疗药物（如盐酸阿霉素（DOX））[67-70]、遗传物质（如siRNA）[23-24,71]、蛋白质（如抗体）[25-26]等，用于肿瘤的化疗、基因治疗和免疫治疗。

Bhatnagar 等[67]制备了一种负载有DOX 和多西紫杉醇（DTX）的聚乙烯吡咯烷酮与聚乙烯醇复合阵列微针用于乳腺癌的治疗。该微针用于4T1荷瘤小鼠经皮给药后，肿瘤体积和质量均有较大幅度的减少。与瘤内注射相比，微针作用后小鼠的存活率更高。此外，DOX 和DTX 联用给药比单分子给药更能抑制肿瘤的生长。Pei 等[68]通过两步浇铸法制备了负载DOX和吲哚菁绿（ICG）的聚乙烯吡咯烷酮可溶解阵列微针用于肿瘤的化学药物和光热协同治疗，如图4 所示。其中ICG 可将近红外光转换为热能。利用介孔二氧化硅包载ICG，可提高ICG 的稳定性，保证其光热转化效率。该阵列微针具有良好的皮肤穿透能力，其尖端被组织间液溶解，并在肿瘤部位释放DOX 和ICG。在808 nm 激光照射2 min内，肿瘤局部温度迅速达到48℃。体内实验表明，负载DOX 和ICG 的阵列微针抗肿瘤效果最佳。同样，Hao 等[69]设计了一种负载聚乙二醇金纳米棒和DOX 的近红外响应阵列的阵列微针用于人类表皮样癌的治疗。体内抗肿瘤研究表明，该阵列微针呈现出显著的抗肿瘤效果。Zhao等[70]制备了一种负载5-氨基乙酰丙酸（ALA）的透明质酸阵列微针用于肿瘤的光动力治疗。这种阵列微针可以穿透角质层，插入深度约200 μm，所产生的微通道可以在插入3 h 内迅速恢复。体内实验表明，负载ALA 的阵列微针对肿瘤的光动力治疗疗效明显优于肿瘤内注射，该阵列微针（含有0.61 mg ALA）对肿瘤的抑制率高达97%。

Pan 等[71]制备了一种负载聚乙烯亚胺（PEI）/STAT3 siRNA 复合药物的右旋糖酐/透明质酸/聚乙烯吡咯烷酮复合阵列微针用于黑色素瘤的基因治疗。该微针将PEI/STAT3 siRNA 复合药物包载于微针针尖，使得在微针不完全刺穿的情况也能完全释放siRNA。其中载体聚乙烯亚胺可以提高细胞对siRNA 的摄取。该微针刺穿皮肤的深度为330 nm，且在5 min 内完全溶解于皮肤，可有效地将siRNA递送至位于表皮基底层和真皮层之间的黑色素瘤细胞处。黑色素荷瘤小鼠体内研究表明，该微针局部作用后，可降低30%的STAT3 基因表达，诱导40%的肿瘤细胞坏死，有效地抑制了黑色素瘤的生长，并且抗肿瘤效果依赖于siRNA 的剂量。该研究表明通过溶解阵列微针传递STAT3 siRNA是一种有效治疗皮肤黑色素瘤的方法。

图4 聚合物阵列微针用于肿瘤治疗的示意图[68]Fig.4 Schematic illustration of polymeric microneedle arrays used for tumor therapy [68]

Wang 等[25]设计了一种负载生理可控释放程序性死亡因子-1 抗体（aPD-1）的透明质酸阵列微针，用于黑色素瘤的免疫治疗。该阵列微针中包埋有载有aPD-1 和葡萄糖氧化酶（GOx）的pH 敏感葡聚糖纳米粒子（NPs）。GOx 将血糖转化为葡萄糖酸，形成酸性环境，促进了NPs的自解离，从而实现酶介导的aPD-1 的持续释放。黑色素荷瘤小鼠体内抗肿瘤研究表明，与肿瘤内注射相比，相同剂量下，阵列微针可诱发较强的免疫反应，具有显著的抗肿瘤作用。总之，阵列微针可无痛穿透表皮，浸入间质液中，有效地将抗原或者抗体传递到肿瘤微环境中，在肿瘤的免疫治疗方面具有巨大的潜力。

2.2 糖尿病治疗

糖尿病是一类由内源性胰岛素分泌减少引发高血糖的代谢性疾病。到2040 年，全球预计有6.24亿糖尿病患者[72]。胰岛素是糖尿病患者最常用的药物。目前传统的皮下或静脉注射胰岛素不仅给患者带来强烈的疼痛感，同时也不能有效地调节血糖水平，还可能引起低血糖等副作用。聚合物阵列微针透皮给药作为一种无痛、方便和安全的给药方式，在胰岛素给药方面具有巨大的潜力。

Liu 等[73]设计了一种负载胰岛素的透明质酸阵列微针，该微针在不同温度（-40、4、20、40℃）下保存一个月后，90%的负载胰岛素仍保持生物活性。体内研究表明，在施用该微针后表现出剂量依赖性的降血糖作用。Yu 等[74]以3-氨基苯基硼酸改性的海藻酸盐和透明质酸盐为微针材料，利用Ca2+交联，制备负载胰岛素的可降解聚合物微针。这种具有交联结构的阵列微针有较强的力学性能和良好的降解性，可持续释放胰岛素。圆二色谱法证实微针包载胰岛素对其生物活性没有影响。与皮下注射相比，该微针可维持更长时间的降血糖作用，且避免造成低血糖。

图5 聚合物阵列微针用于糖尿病治疗的示意图[80]Fig.5 Schematic illustration of polymeric microneedle arrays used for diabetes therapy [80]

为了解决皮肤弹性引起的微针针体无法完全插入皮肤导致的昂贵药物浪费的问题，Chen 等[75]设计了一种以负载胰岛素的聚γ谷氨酸为针尖和聚乙烯吡咯烷酮/聚乙烯醇为支撑结构的阵列微针。聚乙烯吡咯烷酮/聚乙烯醇支撑结构可以抵消皮肤的压缩变形，并在刺穿过程中提供机械强度，实现微针针尖的完全插入。插入皮肤后，支撑结构和微针针尖均可在4 min 内溶解，快速释放胰岛素。在相同剂量下，微针对糖尿病大鼠的降血糖效果与皮下注射相当，表明这种微针贴片传递胰岛素的稳定性和准确性。

血糖浓度的持续性控制对糖尿病患者来说至关重要。因此，大量研究者设计了葡萄糖响应的可控调节胰岛素释放的阵列微针透皮给药系统[76-80]，实现患者自主可控的给药。Zhang 等[80]设计了具有H2O2和pH 双响应释放胰岛素的智能阵列微针。如图5 所示，在高血糖条件下，局部生成H2O2，形成酸性环境。高正电的聚合物被H2O2氧化，然后水解成弱正电荷材料，包埋胰岛素的纳米复合物胶束裂解；同时局部酸性环境也降低了胰岛素上负电的密度，削弱了胰岛素和聚合物之间的相互作用，进一步促进胰岛素的释放。体内实验表明，这种微针能快速、安全地释放胰岛素，并降低低血糖的风险。此外，微针外层包覆了H2O2清除酶，可以减轻H2O2产生对正常组织的损伤。

2.3 预防性疾病

皮肤具有丰富的参与免疫应答的抗原递呈细胞，在诱导免疫反应中发挥着至关重要的作用[81-82]。因而皮肤也被认为是疫苗接种的最佳部位之一。聚合物微针可实现生物大分子疫苗药物的无痛接种，可将疫苗精确地靶向接种于富含抗原递呈细胞的真皮层，少剂量便可诱导更快更强的免疫反应[83]。微针疫苗除了用于肿瘤免疫治疗外，还常用于疾病的预防。

Esser 等[27]制备了一种负载破伤风类毒素的聚乙烯醇/蔗糖/羟甲基纤维素复合聚合物微针为怀孕小鼠接种破伤风疫苗。与肌肉注射相比，该阵列微针能在怀孕小鼠中诱导更强的免疫反应，同时接种了这种微针疫苗的怀孕小鼠所生小鼠在12 周龄后仍可检测到破伤风特异性IgG 抗体，且破伤风感染的小鼠的存活率达100%。由此可见，这种微针疫苗可有效地预防破伤风，为母亲及其后代提供强有力的保护效果。Liao等[84]以水溶性的聚乙烯醇/聚乙烯醇吡咯烷酮作为微针的材料，采用浇铸法制备负载DNA 复合疫苗聚合物阵列微针，该阵列微针可在几分钟内溶解，其诱发的免疫反应是肌肉注射的3.5倍。该疫苗微针可在45℃下保存至少4 个月，提高疫苗在冷链外储存的稳定性。Sullivan 等[28]采用光聚合反应在室温下制备负载冻干流感病毒的聚乙烯基吡咯烷酮阵列微针。这种微针疫苗在小鼠体内单次低剂量抗原接种后产生了较强的体液免疫和细胞免疫，与传统的肌肉注射疫苗相比，其对肺部病毒的清除效率提高了1000 倍。Chen 等[85]设计了一种可持续释放疫苗的壳聚糖阵列微针，如图6所示。该阵列微针以负载流感疫苗的壳聚糖作为针尖，水溶性聚乙烯醇/聚乙烯醇吡咯烷酮作为支撑层。针尖材料壳聚糖可在体内缓慢释放，起到贮藏疫苗的作用。支撑层为阵列微针提供了额外的长度，可保证疫苗完全植入皮内而不损失。载有卵清蛋白的壳聚糖阵列微针在6 d 仅释放30%卵清蛋白，并可持续释放达28 d，可实现抗原的缓慢、持续的释放。同时，载有流感疫苗的阵列微针诱发的流感病毒特异性抗体的水平明显高于肌肉注射，在疫苗接种4 周后的特异性免疫反应明显增强，并可持续16周，表现出优异的可持续免疫能力。而且小鼠接种壳聚糖微针疫苗后完全不受H1NI 流感病毒的感染。该研究为持续长效的经皮免疫提供了新思路。

2.4 其他疾病治疗

随着聚合物阵列微针透皮给药技术的不断发展，聚合物阵列微针透皮给药还被用于其他不同种类疾病的治疗。Li等[22]制备了一种抗高血压的羟甲基纤维素阵列微针，该阵列微针载有降血压药物硝普钠和氰化物解药硫代硫酸钠。体内实验表明，微针给药比口服给药能更有效地降低血压，且可以避免氰化物中毒的副作用。该研究为高血压患者提供了一种副作用小且可自主给药的降压治疗方法。Tang 等[86]设计了一种负载心肌基质细胞的阵列微针，用于治疗心肌梗死后的心肌再生。大鼠心肌梗死模型研究表明，利用这种微针可有效增强心功能，促进血管生成。猪心肌梗死模型研究表明，该微针是无毒的，可以保护心功能。Zhang等[87]以透明质酸为微针材料，制备负载罗格列酮、葡萄糖氧化酶和过氧化氢酶的可降解阵列微针。该阵列微针在葡萄糖存在下释放褐变剂罗格列酮，促进白色脂肪组织（WAT）向棕色脂肪组织（BAT）转化。体内研究表明，该阵列微针可以促进能量消耗和脂肪酸的氧化，有效地控制肥胖小鼠的体重。该研究为肥胖及肥胖并发症的治疗提供了新策略。

图6 聚合物阵列微针用于疫苗接种的示意图[85]Fig.6 Schematic illustration of polymeric microneedle arrays used for vaccination [85]

3 结 论

阵列微针透皮给药系统结合了传统透皮给药和注射给药各自的优势，提高了药物尤其是大分子药物的透皮吸收速率。其中，聚合物阵列微针的制备材料和制备工艺多种多样，具有生物相容性好、安全性高和载药量精确可控等优点，被研究者们用于肿瘤、糖尿病、心血管病等疾病的治疗，是目前最具应用前景的一类阵列微针。但是，聚合阵列微针透皮给药系统的研究仍存在一些问题亟待解决。尽管人们普遍认为阵列微针透皮给药是无痛微创的，但是阵列微针作用于不同部位和不同年龄的皮肤而不引起疼痛的力度和深度还需要进一步的系统研究。如何实现聚合物阵列微针工业化批量生产，且在制备过程中确保生物药物的活性和载药量的精确性，是聚合物阵列微针透皮给药系统目前仍面临的难题。此外，聚合物阵列微针用于各类疾病的治疗还处于试验阶段，其递送药物的安全性和高效性还需要进一步临床研究。不过，随着阵列微针技术的不断发展和完善，相信聚合物阵列微针透皮给药系统将实现高效临床实际应用、造福人类。