用于透皮給藥的空心微針陣列實現(xiàn)糖尿病患者的自動化給藥

傳統(tǒng)的胰島素給藥系統(tǒng)在自動化精確給藥、無痛給藥以及避免無法治療的并發(fā)癥等方面存在局限性。有效的糖尿病管理亟需無痛自動給藥系統(tǒng)的開發(fā)。眾多研究認(rèn)為，與其它有源器件相比，微針（microneedle）是一種有前景的無痛給藥器件。微針是長度小于1毫米的微米級針頭，可實現(xiàn)有效的透皮給藥。

微針可以分為五種獨特的類型，包括實心微針、涂層微針、空心微針、可溶解微針和水凝膠微針。其中，空心微針是中心有空腔，并且尖端有孔的微針?？招奈⑨樋稍诳招那粌?nèi)容納大劑量或大體積的藥物溶液，并且能夠?qū)⒏叻肿恿克幬镙斔偷奖砥せ蛘嫫由蠈印?br />
此外，空心微針具有可控注射大劑量藥物的能力，這使得空心微針比現(xiàn)有的各種“實心”微針具有更優(yōu)越的給藥性能。因此，目前相關(guān)研究正在致力于開發(fā)一種具有空心微針陣列、微泵、微傳感器、儲液器、發(fā)射器和接收器等組件的半自動胰島素輸送系統(tǒng)。該微型系統(tǒng)的關(guān)鍵功能是能夠根據(jù)患者的生理數(shù)據(jù)自動輸送合適的劑量，以避免不必要的并發(fā)癥。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近期，印度斯里瓦什布拉曼尼亞納達(dá)爾工程學(xué)院（Sri Sivasubramaniya Nadar College of Engineering）的研究人員于Microfluidics and Nanofluidics期刊發(fā)表了題為“Effect of hollow microneedle geometry structure on mechanical stability and microfluidic flow for transdermal drug delivery applications”的論文，介紹了一種用于透皮給藥（TDD）的新型空心微針陣列，該陣列具有集成的儲液器和圓柱形中心管腔，可根據(jù)糖尿病患者的生理數(shù)據(jù)自動輸送所需的藥物劑量。

具體而言，為了構(gòu)建上述的受控給藥系統(tǒng)，研究人員設(shè)計了一種4 × 4空心聚乙烯醇（PVA）微針陣列，并對其進(jìn)行了仿真分析。此外，基于幾何結(jié)構(gòu)（錐形、金字塔形）和相關(guān)參數(shù)（長度、基底和尖端直徑），研究人員對該微針陣列進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和微流控分析。

圖1 空心微針陣列的制作流程

首先，研究人員分別對4 × 4錐形和金字塔形空心微針陣列在軸向和彎曲載荷條件下的應(yīng)力情況進(jìn)行了研究。研究結(jié)果顯示，增加微針的長度會增加其最大應(yīng)力，并增大其不穩(wěn)定性。其次，微針基底直徑的增大會減小結(jié)構(gòu)的應(yīng)力和撓度，并且隨著滲透率的增加，其結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會增強。此外，針尖直徑越大的微針，其引起的注射部位疼痛感越強。

圖2 軸向應(yīng)力分析：（a）錐形微針陣列；（b）金字塔形空心微針陣列



圖3 4 × 4金字塔形微針陣列彎曲應(yīng)力分析



圖4 軸向和彎曲載荷下微針陣列的位移變化：（a）長度；（b）基底直徑；（c）針尖直徑

接著，研究人員探索了幾何參數(shù)的變化對微針機械強度的影響。研究結(jié)果顯示，具有生物相容性的聚乙烯醇微針陣列有足夠的強度，可以成功刺穿人體而不破裂。產(chǎn)生的應(yīng)力證明，在3.16 MPa的壓力下，微針仍能保持完整。此外，研究人員發(fā)現(xiàn)，尖銳的錐形微針針尖產(chǎn)生的張力較小，可更好地實現(xiàn)無痛給藥。

最后，研究人員以水和葡萄糖為例，對不同粘度的流體進(jìn)行了微流控分析。微流控分析結(jié)果表明，高粘性流體在微針陣列中具有較低的流速，反之亦然。在入口壓力為100 kPa時，錐形微針陣列中水的流速為320 μL/min，金字塔形微針陣列中水的流速為230 μL/min。

圖5 不同流體的速度與微針入口壓力的關(guān)系

綜上所述，在這項工作中，研究人員設(shè)計了一種用于糖尿病管理的可控給藥系統(tǒng)。該系統(tǒng)主要用于根據(jù)患者的生理數(shù)據(jù)自動輸送所需的藥物劑量。該系統(tǒng)具有無痛和用戶友好性，可以有效提升患者的依從性。

然而，盡管空心微針陣列的發(fā)展非常迅速，但各種器件與微針貼片的集成仍然具有挑戰(zhàn)性。未來的工作重點是聚乙烯醇空心微針陣列的制備和其他器件與預(yù)制微針貼片的集成。此外，研究人員還將進(jìn)行體內(nèi)研究，將集成微針陣列的完整器件原型用在動物皮膚上，實現(xiàn)可控的藥物輸送。

審核編輯：劉清