當下火熱的“微針”

是什么黑科技？

當前，微針在生物醫學領域已有廣泛的應用，如用于生物醫學測量系統、藥物傳輸系統及微量采樣分析系統等?？梢哉f，它的出現將極大地促進生物醫學在未來的迅猛發展。那么當下火熱的“微針”是什么黑科技？

微針（ＭＮ）是一種新型經皮給藥器具，其直徑為30~80μｍ、長度100μｍ以上，呈針狀結構。微針雖然體積微小，但在性能上卻具有常規器具不可比擬的特性——精確、無痛、便利。

在過去的20年里，微針在經皮給藥應用時，使藥物可以在皮膚上更好地擴散，具有較強的給藥能力，已經為皮膚輸送各種活性物質鋪平了道路，這些微型裝置可用于裝載各種藥物和疫苗，包括RNA和DNA等遺傳物質[1]。

有關微針的

科技發展史

最初有關微針的構想是在1976年提出的（圖a），但由于制造技術的限制，第一個微針原型的制造出現在20世紀90年代，當時微制造技術的進步使微結構得以產生[2]（圖b）。

隨著醫療系統認識到小型便攜式醫療設備對于醫療點診斷以及藥物和疫苗的有效快速給藥的重要性，人們對基于微針的醫療設備的興趣正在迅速增長。

近年來，科學技術的突飛猛進使得高分子材料成本愈發低廉、微成型工藝相對簡單，微針的量產和廣泛應用也變得越來越矚目。

目前關注度最高的聚合物微針通常由水溶性碳水化合物或聚合物材料制備而成，且具有可將藥物裝載其中的能力。微針被刺入皮膚后，會在人體組織間液中逐漸溶解，不留下任何生物廢料。

精確穿透皮膚的

“白魔法”

為了能夠穿透皮膚，微針應具有特定的物理特性和精確的幾何形狀。由于皮膚的彈性性質，微針插入深度在很大程度上取決于皮膚插入部位周圍發生的變形量。要解決此問題，可以選擇加強插入力度或增加微針的銳度。但是，由于加強力度可能會導致患者不適，且可能導致微針斷裂，因此增加針尖銳度成為更有效的選擇。

微針插入力與微針針尖界面面積之間存在線性關系，因為微針針尖降低了斷裂力。據報道，微針插入皮膚所需的力范圍為0.1–3N（具體取決于針尖的面積）。尖端尺寸通常取決于制造技術和使用的材料。根據制造精度，尖端直徑可小至500nm。另一項研究證實，為了克服微針穿透時在皮膚上產生的高靜水壓力，必須制造鋒利的微針。如果針尖在接觸點施加超過皮膚極限強度（27.2±9.3MPa）[3]的拉伸應力，針尖將穿透人體表皮。皮膚的極限強度隨年齡和身體位置而變化。針尖越鋒利，接觸點處的張力越集中。針尖也需要比皮膚硬才能穿透。考慮到上述所有因素，微針陣列的成功應用在很大程度上取決于微針陣列的尖端銳度和堅固的結構。這就需要科研工作者們研發出在結構強度、靈活性和分辨率等方面更出色的制造能力。

精確穿透皮膚的

聚合物微針

在過去10年中，研究人員使用了多種制造技術，包括光刻、干濕蝕刻、拉絲光刻、微成型和激光切割，以硅、玻璃、陶瓷、金屬、合成聚合物和天然聚合物等材料制造出不同幾何圖形的微針陣列，包括可生物降解的聚合物，如碳水化合物[4]。每種材料都有自己的優缺點，需要特定的生產工具。在所有用于制造微針的材料中，聚合物由于其優異的機械性能、生物相容性、可降解性和易于復制而具有較大的規模制造潛力。

聚合物微針主要通過熱壓花和軟壓花、拉絲光刻、熔融沉積建模[5]（圖c）、三維（3D）打印、雙光子聚合（2PP）[6]（圖d）、鑄造和激光微加工制造。多種成型技術可用于復制聚合物微針陣列。通常，使用由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的陰模來制作微針復制品。蝕刻、光刻和2PP等制造技術可用于生產通常由金屬、硅和聚合物等材料制成的主微針模板。

未來潛力股

聚合物微針

在過去10年中，研究人員使用了多種制造技術，包括光刻、干濕蝕刻、拉絲光刻、微成型和激光切割，以硅、玻璃、陶瓷、金屬、合成聚合物和天然聚合物等材料制造出不同幾何圖形的微針陣列，包括可生物降解的聚合物，如碳水化合物[4]。每種材料都有自己的優缺點，需要特定的生產工具。在所有用于制造微針的材料中，聚合物由于其優異的機械性能、生物相容性、可降解性和易于復制而具有較大的規模制造潛力。

聚合物微針主要通過熱壓花和軟壓花、拉絲光刻、熔融沉積建模[5]（圖c）、三維（3D）打印、雙光子聚合（2PP）[6]（圖d）、鑄造和激光微加工制造。多種成型技術可用于復制聚合物微針陣列。通常，使用由聚二甲基硅氧烷（PDMS）制成的陰模來制作微針復制品。蝕刻、光刻和2PP等制造技術可用于生產通常由金屬、硅和聚合物等材料制成的主微針模板。

微針陣列（MNA）

vs 微針陣列電極（MAE）

微針在醫學領域的應用十分廣泛，微針陣列（MNA）和微針陣列電極（MAE）就是其中兩個比較顯著的應用。

微針陣列（ＭＮＡ）是藥物領域中最有前途的透皮給藥系統之一[7]（圖e）。與其他經皮給藥方法相比，微針能夠無痛穿透皮膚角質層，改善皮膚通透性，從而增強疫苗、小分子藥物、蛋白質和DNA等生物分子的經皮給藥。目前市場上已制備出５種不同類型的MNA用于透皮給藥，即固體MNA、涂層MNA、可溶性／可降解MNA、中空MNA和多孔MNA。

微針陣列通過裝載多種治療藥物穿過皮膚屏障層，從而展現出明顯的治療效果，具有自我給藥、微創性、安全性和易于處理等諸多優點。然而，在微針陣列成為臨床上最廣泛有效的治療裝置之前，仍需要解決許多重大的挑戰，包括作用在人體皮膚時的重復性穿透問題，藥物裝載方法的改進問題以及控制藥物沉積到皮膚組織分層靶區的定向問題等。

微針陣列電極（MAE）則是一種干燥的電極[8]（圖f），MAEs由于其獨特的優點，在生物信號監測方面受到了越來越多的關注：首先，它可以穿透角質層，消除角質層對阻抗的影響，滲透過程幾乎是無痛的，因為它的小尺寸阻止了對真皮神經的刺激，避免了疼痛感的產生；其次，MAE和皮膚之間的接觸界面更穩定，因此可以減弱運動偽影；第三，它可以消除皮膚刺激或過敏的可能性。

然而，MAE在實際應用中仍然存在一定的局限性。MAE的安全性需要進一步研究，特別是選擇用于MAE制造的材料的生物相容性。此外，MAE是脆弱的，因此，由于其高縱橫比，在插入期間可能留在皮膚中。未來的工作應更多地關注具有高機械強度和足夠生物相容性的MAE的制備。大多數MAE是在剛性基底上制造的，這些基底與彎曲和移動的人體皮膚不一致。因此，開發柔性MAE非常重要，因為它可以提供拱形和堅固的接觸。

微針的運用現在得到了巨大的發展，制備方法也多種多樣，但仍然有許多挑戰等著科研人們去突破。下篇文章將為大家帶來微針在生物醫藥領域的創新研究！