胰岛素可溶性微针聚合物材料的初步筛选

方雨，苏峰，刘为中，何广卫，*（.安徽中医药大学，合肥 300；.合肥医工医药股份有限公司，合肥 30088；3.中国药科大学，南京 0009）

早在1976年Gerstel 等[1]就提出了微针递送药物系统这一概念，Henry 等[2]在1998年首次提出微针可以增强药物在皮肤中传递的观点。微针是指一系列针长为25 ～1000 µm 的针状结构[3]，可分为固体微针、中空微针和生物可降解微针，由于固体微针和中空微针采用硅材料制备，具有相容性差和不可降解等缺点，因此引出生物可降解聚合物微针的概念[4]。

目前，常用于制备生物可降解微针的聚合物材料有聚乙烯吡咯烷酮[5]、聚乙烯醇[6]、透明质酸钠[7]、葡聚糖[8]、硫酸软骨素等[9]。查阅文献可知，这些聚合物材料根据力学性能，可分为韧性材料和脆性材料[10]。韧性材料具有一定的柔韧性，但作为单一材料使用时会因为机械力度不足而无法刺入皮肤；脆性材料具有一定的机械力度，但作为单一材料使用时会因为过脆而发生断裂，所以本研究将韧性材料和脆性材料复合，尝试制备出力学性能优良的可溶性的微针。

本文以胰岛素为模型药物，筛选多种常见生物可降解的韧性和脆性聚合物材料，并对制备的可溶性微针进行表征，根据单一基质材料制备胰岛素可溶性微针的结果，来筛选最佳的复合处方制备胰岛素可溶性微针。

1 材料

1.1 仪器与试药

LEICA DM500 正显微镜（Leica Mirosystome）；TDZ5-WS 台式低速自动平衡离心机（湖南湘仪实验室仪器开发有限公司）；干燥器（透明240 nm 内径，泰州苏北实验用品有限公司）；AL104 电子天平（梅特勒-托利多仪器有限公司）；B20002 电子天平（上海良平仪器仪表有限公司）；微针模具（台州徽芯医药科技有限公司，H820UM 阵列3*3）。

胰岛素（规格：10 g，徐州万邦金桥制药有限公司，批号：UP200501）；聚乙烯吡咯烷酮 K17（PVP K17，批号：0002441704）、聚乙烯吡咯烷酮K32（PVP K32，批号：0002361452）、聚乙烯吡咯烷酮 K90（PVP K90，批号：0002339967）、羧甲基纤维素钠（CMC-Na，批号：C191644）（上海森君化工制剂辅料有限公司）；透明质酸钠（HA-Na，分子量5000 及分子量15 w）（西安小草植物科技有限公司）；聚乙烯醇（PVA17-88，批号：20191207；PVA24-88，批号：20180905）（江西阿尔法高科药业有限公司）；羟丙基甲基纤维素（HPMC，上海卡乐康包衣技术有限公司，批号：PDR491709）；硫酸软骨素（CS，批号：PB200315，陕西帕尼尔生物科技有限公司）；乳糖（批号：200402）、糊精（批号：190129）、预胶化淀粉（批号：200115）（安徽山河药用辅料股份有限公司）；苋菜红色素（西安依诺进出口贸易有限公司，批号：RP16070401）；实验用水均为去离子水。

1.2 动物

SD 大鼠，雄性，体质量200 ～250 g[许可证为SCXK（皖）2017-001，安徽医科大学实验动物中心]。

2 方法与结果

2.1 可溶性微针制备工艺研究

经过前期的预实验，以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为材料作为制备微针的阴模具，采用离心浇注入模法[11-12]来制备胰岛素可溶性微针。首先将一定量的含药基质溶液用胶头滴管均匀地滴加到微针模具上，4000 r·min－1离心15 min，然后除去模具表面多余的含药基质溶液，添加背衬层溶液，最后放置在硅胶干燥器中干燥过夜。

2.2 可溶性微针的处方筛选

2.2.1 HCl 溶液配制 2020年版《中国药典》记载胰岛素能够溶解于稀盐酸中，在pH 2 ～3 的稀盐酸溶液中结构稳定，并能全部溶解。因此，参照药典方法，取0.9 mL 的浓盐酸，用水稀释至1000 mL，配制成浓度为0.01 mol·mL－1、pH 为2 的HCl 溶液，作为胰岛素和制备微针的溶剂。

2.2.2 单一基质材料制备微针筛选 采用多种常见的基质材料单独制备可溶性微针，以微针的外观形态、力学性能和吸湿性为评价指标，考察单一聚合物材料制备的微针的性能。其中对成形性的评价标准是：含针率达到100%为好，达到80%为良好，低于80%为差。对机械性的评价标准是：能够顺利穿过铝箔纸为良，不能穿过铝箔纸为差。对吸湿性的评价标准是：放置在高湿环境12 h 后仍能够顺利穿过2 层以上铝箔纸的微针吸湿性为小，只能穿过1 层铝箔纸的微针吸湿性为中，不能穿过铝箔纸的微针吸湿性为差。结果见表1，可见，单一基质材料制备的微针仅仅只是在某一方面具有优良的性能。

表1 单一基质材料制备微针的结果Tab 1 Microneedles prepared with a single matrix material

由表1可知，PVA17-88、PVA24-88、CMC-Na、HA-Na、PVP K17、PVP K32、CS 和PVP K90 等基质材料基本符合制备微针的要求，其中PVA17-88、PVA24-88、CMC-Na 和HA-Na 属于韧性材料，CS属于脆性材料，PVP K17、PVP K32 和PVP K90，既属于韧性材料也属于脆性材料，因为PVP K17 吸湿性大，不作为复合材料的筛选，其他基质材料如乳糖、糊精、玉米淀粉B 和HA-Na（分子量5000）等因成形性和机械性都差，所以也不作为制备微针的复合基质材料的筛选。

2.2.3 复合基质材料制备微针筛选 根据单一基质材料制备微针的筛选结果，进行复合基质材料的筛选。将韧性材料和脆性材料进行复合，按表2的处方制备复合可溶性微针。观察成形性、机械性和吸湿性，并对微针进行压变性能测试，即将可溶性微针背面朝上置于载玻片上，再在微针背面上加一个平面，使微针能够均匀受力，将不同重量的砝码放置于微针的背面1 min，然后置于显微镜下观察针尖的弯曲程度[13]。结果见表2。

表2 复合基质制备微针的结果Tab 2 Microneedles prepared with composite matrix

由表2可知复合基质材料制备可溶性微针的综合评价比单一基质材料制备的可溶性微针要好。经过处方筛选和压变性能测试，最终筛选出的复合基质材料是CS ＋PVP K90，该复合基质材料制备的可溶性微针外观形态好，力学性能好。

2.2.4 复合基质材料CS 和PVP K90 复合比例筛选 CS 和PVP K90 的比例会影响微针的机械性和吸湿性。将复合基质材料CS 和PVP K90 进行不同配比筛选，筛选方案为1∶1、1∶2、1∶3、2∶1、2∶3、3∶1 和3∶2，结果见表3。

表3 复合基质材料CS 和PVP K90 不同配比的处方筛选结果Tab 3 Prescription screen of different ratios between CS and PVP K90

结果表明，CS 与PVP K90 不同配比制备的可溶性微针，配比在2∶1、3∶1 以及3∶2 时制备的可溶性微针成形性和机械性都差；配比在1∶2、1∶3、2∶3 时，较强的吸湿性降低了可溶性微针的稳定性。因此最终选择的CS 与PVP K90 的配比为1∶1。

2.2.5 可溶性胰岛素微针载药量的优化 可溶性微针的载药量和其他剂型相比相对较少，这也是限制微针应用的原因之一。增加药物在基质溶液的占比是提高微针载药量的最常见办法，然而胰岛素属于生物大分子药物，因此增加药物在基质溶液中的比例会降低微针的力学性能[14-15]。对药物在CS ＋PVP K90 的混合基质溶液的占比进行筛选，可以确保既能够提高微针载药量又能够保证其机械性能。筛选方案和结果见表4。

表4 不同载药量的微针处方Tab 4 Microneedle prescriptions with different drug loading

当载药量达到45%时，制备的微针成形性差，针长大小不一，因此选择的最佳处方工艺为40%INS、7%CS、7%PVP K90 和46%的HCl，使用该处方制备的胰岛素可溶性微针成形性好，力学性能优良。置于显微镜下观察，微针阵列整齐，针长均一，外观形态好，力学性能优良，见图1。

图1 可溶性胰岛素微针显微镜下图Fig 1 Soluble insulin microneedle microscopy

2.2.6 皮肤穿刺性能的测试 取大鼠离体皮肤，除去皮下脂肪，角质层朝外平铺，将可溶性胰岛素微针垂直刺入皮肤，保持刺入状态1 min，立即用苋菜红色素进行染色，用异丙醇除去多余苋菜红色素染料，然后将皮肤置于显微镜下观察，并拍照[16]。如图2所示，微针穿刺后的鼠皮，针孔清晰可见，说明胰岛素微针可以很好地刺入皮肤。

图2 可溶性胰岛素微针刺入皮肤后的染色图Fig 2 Staining image of soluble insulin microneedles after piercing the skin

2.2.7 体外溶解性测试 取大鼠离体皮肤，优选复合处方工艺制备的胰岛素微针，以一定力度刺入皮肤，分别于30 s、60 s 和120 s 移除微针，置于显微镜下观察微针的溶解情况[17]，结果如图3所示，微针刺入皮肤后2 min 内基本溶解。

图3 微针刺入皮肤溶解图Fig 3 Microneedle penetration into the skin to dissolve

3 讨论

3.1 制备微针方法的选择

制备微针的方法有离心入模法、超声入模法和抽真空入模法等，课题组前期预实验对这3 种方法优缺点进行比较，发现超声入模法制备微针耗时长，微针成形性差；抽真空入模法在制备微针时基质溶液抽真空气泡多，干燥后的微针不完整，成形性差；离心入模法制备工艺简单高效，微针成型好，力学性能优，最终本实验选择离心入模法制备胰岛素可溶性微针。

3.2 微针综合物理性能评价方法的选择

通过观察微针的成形性、机械性和吸湿性等指标来评价微针的性能，这种方法比较单一，后期应该采用更加全面的方法，例如使用物性分析仪测定微针的断裂力、使用电阻抗法测定微针是否刺入皮肤以及使用皮肤切片染色和光学相干断层扫描可以直接观察微针是否刺入皮肤以及刺入的深度等方法。

本研究以胰岛素为模型药物，选择生物可降解的复合基质材料，采用离心入模法制备胰岛素可溶性微针，该方法操作简单快速，制备的微针成形性好，力学性能优良，为胰岛素新剂型的研究奠定了一定基础。