微針在傷口愈合及組織再生中的應(yīng)用都有哪些呢？

微針作為一種新型的給藥系統(tǒng)，因其無創(chuàng)、無痛、給藥簡單、給藥可控、負(fù)載能力多樣而受到廣泛關(guān)注。雖然微針最初被設(shè)計(jì)用于穿透皮膚的角質(zhì)層進(jìn)行透皮給藥，但最近，它們已被用于促進(jìn)傷口愈合和各種組織和器官的再生，其結(jié)果很有希望。

盡管有很多關(guān)于微針的綜述，但關(guān)注傷口愈合和組織再生的很少。因此，香港理工大學(xué)Man-Sang Wong教授、趙昕副教授與浙江大學(xué)賀永教授合作綜述了微針技術(shù)在傷口愈合和資質(zhì)再生領(lǐng)域的最新研究進(jìn)展。該論文首先概述了微針系統(tǒng)的潛在負(fù)荷（如小分子、大分子、核酸、納米顆粒、細(xì)胞外囊泡、細(xì)胞）、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（如多藥結(jié)構(gòu)、粘附結(jié)構(gòu)）、材料選擇和藥物釋放機(jī)制。然后簡要總結(jié)了不同的微針制造方法，包括其優(yōu)點(diǎn)和局限性。最后總結(jié)了微針輔助傷口愈合和組織再生（如皮膚、心臟、骨骼、肌腱、眼、血管、血管、口腔、毛發(fā)、脊髓和子宮組織）的最新進(jìn)展。希望該綜述能夠作為讀者根據(jù)不同的應(yīng)用來設(shè)計(jì)他們的微針系統(tǒng)，包括材料選擇、藥物選擇和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)更好的愈合和再生效果。相關(guān)綜述內(nèi)容以“Going below and beyond the surface: Microneedle structure, materials, drugs, fabrication, and applications for wound healing and tissue regeneration”為題發(fā)表在Bioactive Materials期刊上。

圖1為典型的微針結(jié)構(gòu)。微針的典型長度范圍為25 μm ~2000 μm，對(duì)應(yīng)在2000 μm左右的表皮和角質(zhì)層的平均厚度（10μm~15μm）。針的性能取決于其材料性能、針的幾何形狀，特別是針軸的寬度，通常在10 μm到300 μm之間。該綜述關(guān)注了各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料使用、嵌入微針的藥物和微針系統(tǒng)的藥物釋放機(jī)制。

圖1 微針在創(chuàng)面愈合和組織再生中的應(yīng)用示意圖

圖2A展示了多區(qū)域結(jié)構(gòu)及其功能，首先將不同的藥物加載入不同的基礎(chǔ)區(qū)域，然后將其整合到貼片的不同區(qū)域，形成多區(qū)域微針貼片。對(duì)于核殼結(jié)構(gòu)（圖2B），核部分和殼部分可以裝載不同的藥物，使殼內(nèi)的貨物首先釋放，然后核中的藥物跟隨，進(jìn)而藥物可以連續(xù)釋放。另一種設(shè)計(jì)是堆疊結(jié)構(gòu)（圖2C)，它將幾層矩陣堆疊在一個(gè)針尖上。膨脹微針依賴于其針尖的吸水效率（一些可行的溶脹材料包括透明質(zhì)酸、GelMA和聚苯乙烯-嵌段-聚（丙烯酸））（圖2D）。仿生微針更關(guān)注有效的結(jié)構(gòu)，利用倒鉤和寶塔狀結(jié)構(gòu)與目標(biāo)組織互鎖的有效結(jié)構(gòu)（圖2E）。章魚吸盤狀結(jié)構(gòu)也被集成到微針中（圖2F）。

圖2 用于傷口愈合的微針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

干蝕通常用于在金屬制成的空心微針上鉆孔，控制針的高度，而濕蝕用于拋光和銳化結(jié)構(gòu)（圖3A)。微成型是目前應(yīng)用最廣泛的微針制造技術(shù)，其基本過程如圖3B所示。將不同類型的拉伸力，包括機(jī)械力、粘附力、靜力和離心力應(yīng)用在前體材料上形成微針狀形狀，然后進(jìn)行微針制造的特定固化工藝（圖3C）。

圖3 微針的制造

微針的多功能性、小侵入性、高精度和有效性使其成為傷口愈合中非常有用的設(shè)備。該體系由PLGA殼層、柔性襯底物和由GelMA水凝膠和MSCs組成的核心部分組成（圖4A）。如圖4B所示，有研究使用活細(xì)胞加載微針進(jìn)行糖尿病潰瘍愈合。圖4C展示了一種具有可編程藥物傳遞能力的3D打印微針技術(shù)，整個(gè)系統(tǒng)包括兩部分：微針部分和無線控制模塊。圖4D展示了含有黑磷（BP）和血紅蛋白（Hb）的可分離微針，用于在近紅外輻射（NIR）刺激下傳遞響應(yīng)性氧，以促進(jìn)傷口愈合，整個(gè)體系采用微成型工藝制備，由聚醋酸乙烯酯背襯層和GelMA針尖組成。

圖4 微針在皮膚再生中的應(yīng)用

由細(xì)菌、真菌和病毒引起的皮膚感染是最常見的感染。當(dāng)創(chuàng)面細(xì)菌數(shù)量達(dá)到閾值時(shí)，傷口形成局部感染，傷口愈合受到阻礙。因此，越來越多的研究應(yīng)用微針抗感染，微針可以將藥物無痛地注入更深的組織，容易打破生物膜細(xì)菌的保護(hù)膜，克服生物膜的耐藥性，極大地提高治療效果。如圖5A所示，一種七鰓鰻牙齒啟發(fā)的抗菌微針用于感染傷口愈合，該體系由絲膠素與抗菌氧化鋅納米顆粒（ZNPs）微模制而成，圖中顯示了同一斑塊的針結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。圖5B展示了一種基于超聲化學(xué)動(dòng)力學(xué)和超聲熱治療的超聲激活微針抗感染。圖5C為一種含有曲安奈德（TA）和5-氟尿嘧啶（5-Fu）的雙層可可溶微針，針頭由殼聚糖（CS）和右聚糖（DEX）與5-Fu封裝，用于緩釋5-Fu，針軸由HA和羥丙基-環(huán)糊精-HP-β-CD)與TA集成，用于快速釋放TA。圖5D顯示靶向藥物傳遞給增生性瘢痕成纖維細(xì)胞（HSFs）治療肥厚性瘢痕（HS）。

圖5 微針在感染傷口和疤痕傷口中的應(yīng)用

典型的心血管疾病，如心肌梗死（MI）和心力衰竭，是由心肌細(xì)胞死亡或功能障礙引起的。許多治療藥物，包括生物材料、細(xì)胞、基因和生長因子，已經(jīng)被應(yīng)用并顯示出巨大的效果。常見的心臟貼片受到低組織粘附的限制，導(dǎo)致藥物難以進(jìn)入更深的壞死心臟組織。因此，微針成為構(gòu)建新的心臟貼片來解決這些問題的新興解決方案。圖6A展示了一種心肌基質(zhì)細(xì)胞（CSC）的微針貼片，用于心肌梗死后心臟再生，該微針部分由聚（乙烯醇）（PVA）水溶液進(jìn)行微成型制備。加載心肌細(xì)胞的貼片由三層組成，包括基于GelMA的微針、排列導(dǎo)電碳納米管（CNT）層和誘導(dǎo)多能干細(xì)胞（iPSC）衍生的心肌細(xì)胞層（圖6B）。有研究提出了一種腺相關(guān)病毒（AAV）-裝載VEGF的微針（圖6C)。圖6D設(shè)計(jì)了一種具有核殼結(jié)構(gòu)的生物粘接劑微針，用于治療MI。

圖6 微針在心臟組織再生中的應(yīng)用

微針具有操作簡單、治療無痛等優(yōu)點(diǎn)，使其在治療軟骨和肌腱等骨相關(guān)組織中越來越普遍。傳統(tǒng)的治療方法都有其局限性，常見的藥物敷料滲透性較差。為了解決這一問題，有研究提出利用微針作為載體，裝載DEK靶向適配體（DTA），以更好地治療膠原誘導(dǎo)的關(guān)節(jié)炎（圖7A）。肌腱受傷再生需要幾個(gè)月到幾年的時(shí)間，頻繁的口服和注射給長期恢復(fù)可能會(huì)帶來副作用和疼痛，為了解決這個(gè)問題，圖7B所示開發(fā)了一種新型的微針系統(tǒng)，用來加載甲狀旁腺激素（PTH），用于加速肌腱再生。圖7C所示設(shè)計(jì)了一種可分離的微針系統(tǒng)，以傳遞由一氧化氮納米馬達(dá)（EXO/MBA）修飾的外泌體，用于Achilles肌腱病的再生。

圖7 微針在肌腱、軟骨和骨再生中的應(yīng)用

如圖8A所示，微針在眼部組織再生中的應(yīng)用。針尖外層為交聯(lián)甲基丙烯酸透明質(zhì)酸（MeHA）和藥物混合物，內(nèi)層為透明質(zhì)酸和另一種藥物（混合物（圖8Ai）。采用聚（D，L-lactide）（PLA）和裝載氟康唑的透明質(zhì)酸混合物制備溶解性微針治療真菌性角膜炎（圖8Aii)。圖8B為微針在維管組織再生中的應(yīng)用。由涂有西羅莫司的PLGA針尖和一個(gè)PLGA手術(shù)網(wǎng)作為背襯層組成一種可包裝的微針網(wǎng)，以提供西羅莫司為更好的治療內(nèi)膜增生（IH）（圖8Bi）。針尖首先由一種稱為208-CTH的紫外線固化粘合劑進(jìn)行微成型，然后轉(zhuǎn)移到氣球表面，將藥物洗脫球囊（DEB）與微針（MNDEB）結(jié)合使用，可以提高傳統(tǒng)DEB的療效（圖8Bii）。圖8C介紹了微針在毛發(fā)再生中的應(yīng)用。為了解決費(fèi)用昂貴、透皮效果差等難題，開發(fā)了一種裝載外泌體的水凝膠微針來促進(jìn)頭發(fā)再生，該針尖基于頭發(fā)來源的角蛋白水凝膠、間充質(zhì)干細(xì)胞（MSC）來源的外泌體和一種名為UK5099的小分子藥物的混合，而背襯層是由透明質(zhì)酸制成的（圖8Ci）。受種子萌發(fā)進(jìn)展啟發(fā)，采用MeHA微成型工藝開發(fā)了可溶性微針貼片，其中含有人羊膜間充質(zhì)干細(xì)胞（hAMSCs）的外泌體和由角蛋白和黑色素組成的頭發(fā)納米顆粒（HNP）（圖8Cii）。圖8D介紹了微針在創(chuàng)面閉合中的應(yīng)用。如圖8Di所示，利用天然生物凝膠劑可膨脹貽貝粘合劑蛋白（MAP）開發(fā)了一種新型水凝膠形成膠合劑雙層微針貼片。除了增加濕性內(nèi)傷口的連通性外，器官內(nèi)的止血條件也可以促進(jìn)組織的再生。開發(fā)一種寶塔狀的多層微針貼片，以實(shí)現(xiàn)更好的內(nèi)臟止血效果（圖8Dii）。

圖8 微針在其他器官再生中的應(yīng)用

健康皮膚的一個(gè)特征是pH在4 ~ 6左右，明顯低于慢性傷口的pH為7。PH響應(yīng)型聚合物包覆微針系統(tǒng)示意圖（圖9A）。ROS是存在于傷口部位的另一個(gè)典型信號(hào)。為了調(diào)節(jié)細(xì)菌傷口的ROS水平，設(shè)計(jì)了一個(gè)使用微成型法由載藥ROS響應(yīng)的PVA基質(zhì)制成的智能微針系統(tǒng)（圖9B）。許多研究都關(guān)注檢測(cè)炎癥相關(guān)的蛋白，這是調(diào)節(jié)傷口炎癥的關(guān)鍵。因此，有研究設(shè)計(jì)了一種基于絲素的智能微針敷料（i-SMD），它集成了溫度反應(yīng)和炎癥反應(yīng)的N-異丙基丙烯酰胺（NIPAM）水凝膠，進(jìn)而促進(jìn)傷口愈合（圖9Cii）。在另一項(xiàng)研究中設(shè)計(jì)了一種類似的鯊魚牙齒微針，它也可以檢測(cè)炎癥相關(guān)蛋白，該系統(tǒng)由三個(gè)部分組成：人類表皮生長因子（hEGF）加載微針部分首先制作成一個(gè)鋒利的牙齒形狀基于反蛋白石光子晶體，然后生物傳感部分蛋白質(zhì)檢測(cè)和MXene柔性電極運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)集成到微針貼片（圖9D)。

圖9 傷口監(jiān)測(cè)

在這篇綜述中討論了微針系統(tǒng)在傷口愈合和組織再生中的應(yīng)用現(xiàn)狀。具體的設(shè)計(jì)考慮包括潛在負(fù)荷、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、材料選擇和藥物釋放機(jī)制，并結(jié)合目前使用微針進(jìn)行傷口愈合和組織再生的應(yīng)用案例。通過所有這些總結(jié)和分析，微針在監(jiān)測(cè)和促進(jìn)傷口愈合過程中顯示了巨大的潛力。微針雖然前景廣闊，但在傷口愈合中的應(yīng)用仍處于早期階段。該綜述討論了微針在傷口監(jiān)測(cè)中進(jìn)一步發(fā)展的一些要求和前景，包括智能化、定制化、結(jié)構(gòu)優(yōu)化和功能集成。首先，智能化是未來微針發(fā)展的必然趨勢(shì)，涉及給藥、生物傳感與診斷、電氣控制等領(lǐng)域。其次，由于微針將面臨應(yīng)用地點(diǎn)的多樣性，以及不同的患者，因此，未來精準(zhǔn)醫(yī)療的定制也是必要的。此外，結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)于進(jìn)一步開發(fā)微針的提高粘附性能、提高載藥能力、提高給藥效率和更高的整合密度也具有重要意義。更多的功能也可以集成到微針系統(tǒng)中，如機(jī)械、電、磁性和超聲波刺激。最后，微針的臨床轉(zhuǎn)化非常有意義，但仍在進(jìn)行中。

審核編輯：劉清