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（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，以實現(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、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)計是堆疊結(jié)構(gòu)（圖2C)，它將幾層矩陣堆疊在一個針尖上。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

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，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月到幾年的時間，頻繁的口服和注射給長期恢復(fù)可能會帶來副作用和疼痛，為了解決這個問題，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典型信號。為了調(diào)節(jié)細(xì)菌傷口的ROS水平，設(shè)計了一個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）。在另一項研究中設(shè)計了一種類似的鯊魚牙齒微針，它也可以檢測炎癥相關(guān)蛋白，該系統(tǒng)由三個部分組成：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)檢測和MXene柔性電極運(yùn)動監(jiān)測集成到微針貼片（圖9D)。

圖9 傷口監(jiān)測

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)計考慮包括潛在負(fù)荷、結(jié)構(gòu)設(shè)計、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，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