3D打印微針的無線智能創(chuàng)可貼用于慢性糖尿病治療

來源：EngineeringForLife

導(dǎo)讀：慢性創(chuàng)傷是一類3個月后無法自行愈合，并且通�？梢猿掷m(xù)一年以上的傷口。慢性傷口之所以難以愈合是因為促進傷口愈合的生理過程聯(lián)系被破壞，由于缺乏血管生成，出現(xiàn)了免疫調(diào)節(jié)性過度炎癥，結(jié)痂形成和細菌感染等并發(fā)癥。由于皮膚的可接觸性，為了治療慢性創(chuàng)傷促使其快速愈合，所以通常會在傷口處使用生物因子敷料、抗生素藥膏等。

迄今為止，大多數(shù)研究都集中在尋找促進慢性傷口愈合所需的性能更優(yōu)異的藥物或確定藥物釋放的最佳時間曲線上。換言之，試圖找到“用什么”和“何時”向傷口遞送。但是慢性傷口是一種無血管或血管不充分的組織，被壞死組織和結(jié)痂覆蓋。傷口的滲出液可以洗掉局部遞送的治療藥物，或者由于存在各種酶而使它們失去活性。因此，Ali Tamayol團隊的研究人員認為為了獲得更好的治療效果，在治療有效性上應(yīng)該闡明“何地”，即藥物遞送點的重要性，將藥物直接送入活體組織，縮短治療藥物的傳播距離。

近期，內(nèi)布拉斯加州大學(xué)的Ali Tamayol團隊發(fā)表在Advanced Functional Materials雜志上題為A Wirelessly Controlled Smart Bandage with 3D-Printed Miniaturized Needle Arrays的文章，提出了一種治療慢性糖尿病傷口的個體化智能繃帶（圖1）。這種可穿戴、可遠程控制的繃帶配有生物相容性微針陣列（MNA），用于將多種重要的藥物和生長因子繞過表層的結(jié)痂和壞死組織，直接輸送到傷口床的深層。與局部給藥相比，這種新方法在促進再上皮化和血管生成，促進傷口閉合和毛發(fā)生長方面更為有效。此外，由于MNA微針貼片具有微創(chuàng)性，誘發(fā)的疼痛和炎癥也很小。

圖1  無線控制的智能繃帶，配有用于治療的MNAs

基于以上想法，該智能繃帶有2個模塊組成，一個是由聚二甲基硅氧烷（PDMS）微通道層連接MNAs微針陣列貼片制成的一次性柔軟繃帶模塊（圖3A），另一個是可重復(fù)使用的控制模塊，包含藥物貯存器、微型泵、電源和電路（圖3E），兩者通過柔性硅管流道連接。
對于一次性繃帶模塊，研究人員首先使用熔融沉積（FDM）3D打印技術(shù)從生物相容性樹脂中打印出設(shè)計的空心MNA微針結(jié)構(gòu)，隨后將其浸泡在NaOH溶液中去除支撐材料（圖2A）。對于插入皮膚給藥的微針而言，其中最主要的一個設(shè)計參數(shù)是MNA的長度。基于人類真皮和表皮的厚度，選擇的微針長度為2mm。此外，為了保證繃帶整體的柔韌性、透明可觀察性，在厚度約為1.5mm的PDMS層上制備了微通道，然后將微通道的末端連接到多個面積為10 mm×10 mm的MNAs片上。

圖2  3D打印MNAs的制備與表征

顯然，該繃帶模塊能否使用還需要經(jīng)過生物相容性和力學(xué)性能兩方面的測試。研究員將血管內(nèi)皮細胞（HUVECs）置于多孔培養(yǎng)板中，并將MNAs置于其培養(yǎng)基中。經(jīng)過陽性對照實驗表明樹脂基MNAs并未對細胞增殖產(chǎn)生影響。對于力學(xué)測試，研究員進行了MNAs壓載實驗。如圖2E所示，MNA沒有斷裂，僅在約78N的壓縮力下彎曲。并且將其從豬皮上穿透和取出后，未觀察到變形或破損（圖2F）。大多數(shù)MNA以小于2N的力穿透新鮮豬皮，7N左右達到完全穿透，而拔出力為2N左右（圖2G）。而MNAs與PDMS柔軟基底層的連接強度通過剝離試驗測定滿足使用要求，其平均粘合強度為237KPa（圖3B，C）。

圖3  微控制器和無線軟件的特性

對于控制模塊，使用蠕動微泵將藥物溶液從貯存器經(jīng)柔性硅管注入微通道陣列，然后通過各個MNAs貼片（圖3F）。該模塊可以通過藍牙與智能手機上的對應(yīng)APP連接進行遠程控制，并標定流量-電壓曲線實現(xiàn)精確控制（圖3G-I）。為了防止藥物在繃帶中被潛在吸附。研究員使用牛血清白蛋白（BSA）和頭孢唑林作為模型藥物加載到繃帶中，通過MNAs灌注后在不同時間點收集溶液，并使用總蛋白分析（BSA）和紫外可見分光光度法（頭孢唑啉）測定藥物濃度。實驗結(jié)果表明蛋白質(zhì)和抗生素的吸附量較低（圖4A-B）。

圖4  藥物釋放特性及其對細胞培養(yǎng)的影響

為了評估MNAs在治療慢性傷口中的重要性，研究員建立了一個模擬傷口組織的體外模型。體外模型由一個被2mm厚3%（w/v）瓊脂糖凝膠包裹（提供與皮膚相似的孔隙率和質(zhì)地）的細胞培養(yǎng)插入物組成（圖4C）。為了模擬局部藥物輸送，在瓊脂糖凝膠上添加100 μL藥物溶液。為了測試基于MNAs的遞送，通過3D打印制作了直徑為10mm的微型繃帶，并插入在瓊脂糖凝膠中，然后使用注射器遞送100微升藥物溶液。體外模型結(jié)果表明，與局部傳遞的藥物相比，MNAs能夠?qū)⒌鞍踪|(zhì)快速傳遞到代表壞死組織環(huán)境的下腔室（圖4D-E）。同理采用類似的方法，評價了血管內(nèi)皮生長因子（VEGF）結(jié)合MNAs遞送對于促進劃痕愈合的積極作用（圖4F-G）。

圖5  VEGF經(jīng)MNAs給藥對糖尿病創(chuàng)面愈合影響的動物實驗研究

最后，為了進一步研究MNAs在糖尿病和慢性創(chuàng)傷治療中的潛在應(yīng)用價值，研究員對糖尿病自發(fā)性突變小鼠皮膚創(chuàng)傷進行了動物實驗。將動物分為三個研究組（圖5A），包括：1）陰性對照，未治療；2）局部用藥，將VEGF溶液吸取到傷口上3）使用MNAs將VEGF溶液注入創(chuàng)面。根據(jù)動物實驗結(jié)果，MNAs組相較與其他兩組，平均傷口愈合率達到95%，肉芽組織厚度顯著增加，并在新組織中觀察到毛發(fā)生長以及作為血管化的標志CD-31大量表達（圖5B-D）。雖然小鼠作為嚙齒動物，無法完全匹配人類傷口愈合機制，但是得到的良好的實驗結(jié)果可能應(yīng)該在更相近的動物模型中也得到驗證。

論文鏈接：
https://doi.org/10.1002/adfm.201905544