《Science Advances》: 3D打印仿藍(lán)環(huán)章魚微針實(shí)現(xiàn)潮濕環(huán)境下藥物控釋

來源： EngineeringForLife

臨床上局部用藥具有起效快、藥物生物利用度高、侵襲性小的優(yōu)點(diǎn)，可有效應(yīng)用于抑制腫瘤、治療器官疾病或加速創(chuàng)傷愈合等治療場景。然而，在潮濕環(huán)境下如口腔或腹腔等的局部給藥時(shí)，易出現(xiàn)：（1）體液在組織表面形成濕潤的粘液屏障，不僅會阻礙藥物進(jìn)入患處，還會因?yàn)闆_刷流動(dòng)致使藥物流失；（2）難以實(shí)現(xiàn)組織內(nèi)藥物遞送濃度的有效管控。在抗炎、抗心絞痛和抗腫瘤等場景下，常需要將藥物快速起效和長期維持治療相結(jié)合。

EFL團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)顧臻教授團(tuán)隊(duì)、四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院萬乾炳教授團(tuán)隊(duì)合作，從藍(lán)環(huán)章魚的捕獵過程獲得啟發(fā)，開發(fā)了一種可在錨固在濕潤體腔組織表面，實(shí)現(xiàn)局部組織內(nèi)自注射給藥的微針治療平臺。相關(guān)工作“Blue-ringed Octopus Inspired Microneedle Patch for Robust Tissue Surface Adhesion and Active-injection Drug Delivery”發(fā)表于《Science Advances》。四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院萬乾炳教授，浙江大學(xué)藥學(xué)院顧臻教授，浙江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院賀永教授為該論文的通訊作者，四川大學(xué)華西口腔醫(yī)院朱舟、王劍、裴錫波、陳俊宇為共同第一作者。

藍(lán)環(huán)章魚仿生設(shè)計(jì)，匹配臨床給藥應(yīng)用需求
作為世界上已知毒性最強(qiáng)的生物之一，藍(lán)環(huán)章魚擁有美麗的外觀卻也毒性致命，其單次蟄咬所釋放的毒素便可在數(shù)分鐘內(nèi)置人于死地。為解決上述臨床需求，研究團(tuán)隊(duì)從潮濕的給藥環(huán)境聯(lián)想到了水流涌動(dòng)的海洋，進(jìn)而在水生生物藍(lán)環(huán)章魚身上獲得了啟發(fā)。藍(lán)環(huán)章魚在水中會利用其帶吸盤的觸腕抓取，然后將獵物置入其口器并嚙咬獵物，將致命毒素注入目標(biāo)內(nèi)完成捕食。據(jù)此，本研究模仿藍(lán)環(huán)章魚尖利鰲齒，首先設(shè)計(jì)了具有溫敏收縮功能的微針結(jié)構(gòu)，并將章魚“毒液”替換為藥物。該載藥微針不僅能有效穿透粘液屏障，使給藥前沿直達(dá)組織內(nèi)部，還能夠在刺入后響應(yīng)體溫觸發(fā)微針排水，在治療初期的2-4小時(shí)內(nèi)完成的部分藥物的主動(dòng)注射，使藥物快速起效；而后，微針將自動(dòng)轉(zhuǎn)入藥物緩釋模式，以更平穩(wěn)而長效得維持療效。此外，針對體腔內(nèi)組織表面濕粘接需求，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了具有物理-化學(xué)聯(lián)粘接效應(yīng)的柔性仿生吸盤，加載于微針外圍構(gòu)成貼片的錨固單元。該仿生吸盤結(jié)構(gòu)可通過內(nèi)表面酚羥基與組織牢固結(jié)合，且其負(fù)壓封閉作用還能保護(hù)粘接界面免受體液的干擾。

圖1 藍(lán)環(huán)章魚啟發(fā)的藥物遞送貼片的設(shè)計(jì)和應(yīng)用思路

光固化3D打印，助力微針精細(xì)結(jié)構(gòu)制造
為得到滿足設(shè)計(jì)的仿生貼片，不僅要實(shí)現(xiàn)微針和吸盤的結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)，還需保證復(fù)合載藥水凝膠的組分準(zhǔn)確，這給制造方案提出了不小的挑戰(zhàn)。尤其是對于微針成型而言，在本研究中，為了兼顧強(qiáng)度和功能，我們所制備的微針為光固化絲素蛋白、光固化泊洛沙姆和聚(N-異丙基丙烯酰胺)組成的復(fù)合水凝膠，受溫度和濃度的影響，其用常規(guī)打印方案直接成型難度極大。因此，我們采用了間接3D打印方案，即首先使用高精度3D打印制備樹脂模具，然后用硅橡膠進(jìn)行翻模復(fù)刻成為終模具。將復(fù)合組分次分步地灌注入印模內(nèi)并光交聯(lián)，最終脫模得到完整的仿藍(lán)環(huán)章魚微針。這樣的制造流程不僅可實(shí)現(xiàn)多種水凝膠微結(jié)構(gòu)的一體制備，還可極大地拓寬所用材料的選擇范圍，使之不受直接3D打印時(shí)的參數(shù)限制。

多樣結(jié)構(gòu)，一體整備。本研究通過間接3D打印法制備了貼片所需要的模具，通過微針部分水凝膠和吸盤基底水凝膠的分步澆筑、光固化、吸盤表面改性，將精細(xì)的水凝膠微針陣列結(jié)構(gòu)和仿生的柔細(xì)吸盤結(jié)構(gòu)整合為一體，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化、快速和精準(zhǔn)的仿生貼片制造。借助吸盤結(jié)構(gòu)良好的負(fù)壓封閉和化學(xué)粘接作用，該仿生貼片可錨固于潮濕甚至被完全浸沒的組織表面。

圖2 仿生貼片微針的制備流程及部分粘接原理和功能檢測

復(fù)雜組分，精確成型。常規(guī)的以水凝膠為對象的直接3D打印，受制于原材料的濃度、黏度及光交聯(lián)時(shí)間等多種因素的影響，常對打印參數(shù)提出嚴(yán)苛的要求，也很大程度的限制了所能打印的水凝膠種類。在高精度3D打印的幫助下，本研究不僅實(shí)現(xiàn)了所制備的微針精確成型，具有統(tǒng)一標(biāo)化的陣列排布、單針形態(tài)、單針高度，且能根據(jù)所需應(yīng)用的臨床場景攜帶對應(yīng)的目標(biāo)藥物。在此基礎(chǔ)上，復(fù)雜成分的水凝膠能夠被提前混勻并澆筑成型，同樣保障了復(fù)合組分水凝膠微針的功能行使。

圖3 仿生微針的參數(shù)及藥物釋放

該仿生微針與藍(lán)環(huán)章魚的鰲齒嚙咬并分泌毒液的工作原理類似，當(dāng)微針作用于組織時(shí)會感應(yīng)溫度的上升，內(nèi)部的聚(N-異丙基丙烯酰胺)分子鏈將斷開與水分子的氫鍵連接，使微針從親水狀態(tài)變?yōu)椴糠质杷疇顟B(tài)，從而將微針內(nèi)的部分液體及其溶解的藥物擠出，達(dá)到主動(dòng)注射的效果。該釋放階段完畢后，微針內(nèi)剩余的藥物將在剩下的數(shù)天內(nèi)依靠水凝膠的內(nèi)外液體交換緩慢釋放，以達(dá)到長效治療的作用。

圖4 仿生貼片微針的組織內(nèi)自注射的工作原理

應(yīng)用檢驗(yàn)與探索
為了評估治療效果，仿生貼片首先攜帶了地塞米松磷酸鈉用于兔口腔潰瘍的局部治療。仿生貼片能有效粘接于口腔粘膜表面，其微針部分則能有效穿刺唾液屏障和潰瘍滲出層，將藥物有效遞送至組織內(nèi)部。借助快速起效和長效維持的雙模式給藥，仿生貼片可達(dá)在短時(shí)內(nèi)就達(dá)到抗炎效果，并有效縮口腔潰瘍的愈合時(shí)間。

圖5 仿生貼片治療口腔潰瘍的療效評價(jià)

此外，攜帶有氟尿嘧啶的仿生貼片也被用于黑色素瘤的治療評估。類似的，得益于牢固的組織錨定效果和多模式組織內(nèi)藥物遞送邏輯，仿生貼片在應(yīng)用的初期就通過主動(dòng)注射高劑量藥物，快速遏制腫瘤的生長過程，使得病變得到快速控制；并在后續(xù)的治療過程緩釋藥物以維持療效，防止腫瘤增殖趨勢的重新抬頭。

圖6 仿生貼片治療早期黑色素瘤的療效評價(jià)

它山之石，可以攻玉。從自然生物的結(jié)構(gòu)及功能中汲取靈感，以臨床診療應(yīng)用為導(dǎo)向，仿生醫(yī)用材料長久以來都是醫(yī)學(xué)/生物技術(shù)領(lǐng)域的開發(fā)熱點(diǎn)和前沿。我們認(rèn)為高精度3D打印技術(shù)能拓寬生物制造能力范圍，以更精準(zhǔn)的工程化手段服務(wù)生命大健康產(chǎn)業(yè)。

文章來源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh2213