双层可分离式微针技术用于慢性伤口的程序化治疗

双层可分离式微针技术用于慢性伤口的程序化治疗

有一些疾病例如糖尿病足等引发的慢性伤口一生都有发展为不可治愈溃疡的风险。然而，目前对慢性创伤的治疗仍不理想，缺乏将快速换药、长效治疗和高疗效融为一体的理想创面敷料。

有鉴于此，北京航空航天大学樊瑜波教授与牛旭锋教授提出了一种具有双层结构的协同可分离微针（MNs），通过一次性敷料实现程序化处理。该微针由壳聚糖（CS）水凝胶为针尖，包合Mg的聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）为基底。由于针尖的局部潮湿环境增强了Mg与炎症微环境的反应，使Mg/PVP基底在几分钟内溶解，从而实现协同分离（图1）。Mg与针尖负载的三七皂苷（PNS）联合治疗，实现抗菌、新生血管、激活良性免疫反应，进而使创面愈合的炎症、组织增殖、组织重塑三个重叠期达到动态平衡。相关工作以题“SynergisTIcally Detachable Microneedle Dressing for Programmed Treatment of Chronic Wounds”发表于Advanced Healthcare Materials。

微针制备

为了进行微针制备，研究人员将CS和PNS依次溶于乙酸溶液并真空浇筑成针尖，而后浸泡于NaOH溶液中除酸并交联CS，接着将Mg颗粒沉积于CS上，加入PVP制备得到PVP-Mg基底。在制备过程中，为防止Mg在酸性溶液中的反应，需将整个模具浸入NaOH（10% w/v）水溶液中，并使CS固化。

图1 双层微针

协同分离

相较于CS/PVP MNs，CS/Mg-PVP MNs扎入模拟伤口后产生大量气泡（图2），基底快速崩解，染料渗透性增加。这归因于Mg与炎症微环境反应产生H₂，促进了针尖基底分离，增加药物渗透性。同时，扎入模拟伤口5分钟后去除微针基底，发现CS/Mg-PVP MNs的基底分离率（87.5%）显著高于对照组（29.3%）与其他实验组（图3a），说明Mg可以有效提高针尖分离率，实现针尖协同分离。

图2 微针体外分离试验

药物爆释与缓释

研究人员以牛血清白蛋白（BSA）为生物大分子药物，罗丹明B（RhB）为小分子药物研究微针的可编程的多级释药。研究发现，当药物载于PVP基底时，Mg反应产生大量H₂气泡并在基底中形成空腔。腔体可增加反应面积，加速PVP的溶解，导致药物的爆释（图3b）。药物释放量为~90%时，相较于CS/PVP MNs，CS/Mg-PVP MNs中的BSA（40min→9min）和RhB（30min→9min）释放时间均减少（图3c）。而当药物载于CS针尖时，有无Mg的两种微针均显示出药物的长效释放（图3d）。

图3 药物释放曲线

金黄色葡萄球菌感染的糖尿病伤口愈合

SD大鼠体内研究发现，对金黄色葡萄球菌感染的大鼠进行治疗10天后，PNS-CS/Mg-PVP MNs组的伤口面积（6.34%）远小于对照组（Control）（34.43%）（图4b，c），其肉芽组织厚度（1271.7μm）也远大Control组（437.4μm）、CS/PVP MNs组（606.4μm）和CS/Mg-PVP MNs组（838.3μm）（图4d），并且PNS可促进细胞再上皮化（图5）。MTS结果显示Control组会形成血痂（图6），并且血痂下出现异常柱状上皮堆积及上皮细胞增生，说明因细菌感染导致创面愈合异常及增生性瘢痕。但实验组几乎未见血痂形成，并且PNS-CS/Mg-PVP MNs新生成的成纤维细胞可以促进胶原沉积进而实现细菌感染引起的慢性创伤的愈合。同时，针对血小板-内皮细胞粘附分子（CD31）的相关定量分析显示，PNS-CS/Mg-PVP MNs通过延长PNS的释放可促进血管生成，其新生血管量（8.51%）为Control组（2.27%）的3.75倍。在炎症程度上，PNS-CS/Mg-PVP MNs和CS/Mg-PVP MNs的治疗均下调了创面组织炎症因子IL-6和TNF- a 这归因于它们释放的Mg²⁺抑制炎症因子分泌，降低创面炎症反应。而两组炎症程度非常相似，说明整个给药系统中主要的炎症调节因子是Mg²⁺。并且两组释放的Mg²⁺还可促进巨噬细胞由M1型向M2型转化，这降低了创面的促炎作用，使创面由最初的炎症阶段过渡到组织增殖重塑阶段。

　　综上所述，研究人员开发了一种简便的双层可分离式微针策略以实现细菌感染的慢性伤口的程序化治疗，基底中包合的Mg可协同加速针尖分离，从而通过一次性插入实现在编程时间点的多阶段药物释放。并且微针可以杀菌，促进慢性伤口的新生血管形成，同时调节巨噬细胞表型转换以减少炎症。这种双层可分离式微针是一种创新的程序化疗法，并显示出改善皮肤伤口治疗的巨大希望。