水凝膠形成的微針陣列作為一種透皮藥物遞送技術(shù)，有望成為傳統(tǒng)藥物遞送方法的替代品。在這項工作中，通過在與口服抗生素相當?shù)闹委煼秶鷥?nèi)有效、受控地輸送阿莫西林和萬古霉素，創(chuàng)建了水凝膠形成的微針。使用可重復(fù)使用的 3D 打印主模板進行制造，可以通過微成型快速、低成本地制造水凝膠微針。通過以 45° 傾斜角進行 3D 打印，微針尖端的分辨率提高了一倍（從約 64 μm 降至 23 μm）。通過獨特的室溫溶脹/消溶脹載藥方法，阿莫西林和萬古霉素在幾分鐘內(nèi)被封裝在水凝膠的聚合物網(wǎng)絡(luò)內(nèi)，無需外部藥物儲庫。形成水凝膠的微針機械強度得以保持，并且成功穿透豬皮移植物，對針或周圍皮膚形態(tài)的損害可以忽略不計。通過改變交聯(lián)密度來定制水凝膠膨脹率，從而在適用的遞送劑量下控制抗菌劑的釋放。負載抗生素的水凝膠形成微針對大腸桿菌和金黃色葡萄球菌具有有效的抗菌特性，凸顯了水凝膠形成微針在抗生素微創(chuàng)透皮給藥方面的有益用途。

一、簡介

透皮給藥 (TDD) 是抗生素給藥的替代方法，通過從離子電滲療法到熱消融等多種方法 ，包括微針 (MN) 。TDD是一種無痛方法，將藥物直接涂在健康皮膚上，穿過最外層皮膚層（角質(zhì)層），深入表皮。TDD 繞過了肝臟的首過效應(yīng)，從而提高了生物利用度。然而，有效 TDD 的一大挑戰(zhàn)是穿過角質(zhì)層。對于局部治療，藥物需要低于 500 Da 并且是水溶性的，限制了可以通過這種方式有效遞送的藥物。自 1971 年第一份報告以來，微針開發(fā)主要集中在 TDD。微針的長度很小，可以被認為是無痛的，因為與皮膚深處的神經(jīng)末梢的相互作用有限。水凝膠形成微針 (HFM) 由交聯(lián)聚合物制成，于 2012 年首次報道。水凝膠形成微針的工作方式與傳統(tǒng)微針不同（圖1）。當插入皮膚時，形成水凝膠的微針由于間質(zhì)液（ISF）的存在而膨脹，允許治療藥物從水凝膠聚合物網(wǎng)絡(luò)中擴散，導(dǎo)致吸收到真皮微循環(huán)中并發(fā)生全身吸收。此外，水凝膠形成微針還具有抗菌特性和優(yōu)異的生物相容性，使得水凝膠形成微針成為抗菌應(yīng)用中極具吸引力的材料。然而，很少有水凝膠形成微針用于抗生素藥物輸送的例子，重點是其他類型的藥物，例如鹽酸多奈哌齊和艾氯胺酮。

圖 1. 使用藥物儲庫（左）和摻入藥物（右）通過溶脹/消溶脹藥物負載在皮膚中形成水凝膠形成微針 (HFM) 的藥物輸送機制，(A) 最初插入干燥的 HFM，(B) 隨著時間的推移 因藥物釋放導(dǎo)致 HFM 腫脹。

在本工作中，利用低力立體光刻（SLA）3D打印方法制備固體聚合物微針，當用作模具形成水凝膠微針時，可實現(xiàn)透皮抗生素遞送。使用SLA可以通過微成型開發(fā)低成本的水凝膠形成微針，作為購買昂貴的市售模具的替代方法。

2 結(jié)果與討論

2.1. 低力立體光刻3D打印微針

使用 SLA 3D 打印成功打印出帶有錐形針的微針陣列（圖 2）。 SLA 3D 打印機利用投影儀和鏡頭僅在層的特定區(qū)域?qū)⒁簯B(tài)光固化樹脂暴露在紫外線下。

圖 2. 以 (A) 0°、(B) 45° 和 (C) 90° 打印的 3D 打印 MN，用于微成型工藝 (D)。 簡而言之，將 3D 打印的 MN 放置在 PDMS 中并固化，移除 MN，留下充滿水凝膠混合物的陰模并固化，得到 HFM。 HFM 由 (E) 45° 3D 打印 PDMS 模具和 (F) 市售 PDMS 模具制成。 膨脹的 HFM 取自 45° 3D 打印的 PDMS MN 模具 (G)，通過膨脹/消膨脹過程 (H) 形成。 將 HFM 放入藥物溶液中并使其膨脹，一旦取出，將 HFM 干燥 24 小時，從而形成負載藥物的 HFM。

2.2. PMVE/MA 水凝膠形成微針的表征

聚(甲基乙烯基醚馬來酸) (PMVE/MA) 是一種常用的水凝膠聚合物，具有優(yōu)異的機械強度、生物相容性和低毒性，這意味著在應(yīng)用中，PMVE/MA 水凝膠形成微針能夠穿透皮膚而無需 對周圍皮膚的刺激，使其成為適合水凝膠形成微針使用的生物材料。

2.3. 機械特性

為了評估負載藥物的水凝膠形成微針的機械強度，施加壓縮力，并記錄由此產(chǎn)生的位移。 據(jù)廣泛報道，皮膚穿透需要 0.08 N Needle?1 的最小力，機械強度是成功插入皮膚的關(guān)鍵因素之一。 對于該微針設(shè)計，這相當于 9.7 N。 比較了交聯(lián)密度為 2:1 和 4:3 的非藥物負載（對照）和阿莫西林負載（藥物負載）水凝膠形成微針的機械強度。

圖 3. 機械強度和皮膚滲透性。 0.08 N 針?1 下的位移（從左到右）對照（無藥物）的 (A) 2:1 和 (B) 4:3，1 mg mL?1 5 分鐘和 30 分鐘，3 mg mL?1 5 分鐘和 30 分鐘，僅基礎(chǔ) (n = 3)。 使用 (C) 3D 打印和 (D) 市售 PDMS 模具形成 2:1 比例 HFM 制造的 HFM 在 0.08 N Needle?1 下的皮膚穿透光學(xué)圖像。 500 μm 的比例尺。

2.4. 豬皮滲透

為了證明載藥水凝膠形成微針與購買的水凝膠形成微針相比的皮膚滲透潛力，使用了離體豬皮移植物。 O'Brien 等人進行的工作表明，用于微針穿透評估的離體豬模型的實施是一個很好的匹配，因為豬皮膚呈現(xiàn)出與人類皮膚相似的表皮厚度和細胞層數(shù)量。據(jù)報道，更鋒利的水凝膠形成微針尖端有助于皮膚穿透，與市售的基于激光的模具相比，使用 3D 打印 PDMS 模具制造的水凝膠形成微針在最小力下表現(xiàn)得非常好（p < 0.001）。 在這項工作中無法評論患者的依從性和穿刺過程中的疼痛，并將形成進一步的研究，但是微針長度預(yù)計不會到達位于皮膚下方的疼痛感受器。

2.5. 水凝膠形成微針的體外溶脹潛力

水凝膠形成微針的溶脹特性是藥物持續(xù)釋放的重要參數(shù)。 為了研究不同的交聯(lián)密度和溶脹率，將樣品浸入 PBS 中。 由于水凝膠形成微針的親水性，它們會快速吸收 PBS，導(dǎo)致尺寸增加。?

圖 4. HFM 的溶脹和藥物釋放曲線。 (A) 4:3（藍色）和 2:1（橙色）交聯(lián)密度在 48 小時（右）和 6 小時（左）內(nèi)的溶脹曲線 (n = 3)。 交聯(lián)密度為 2:1（B 和 C，橙色）和 4:3（D 和 E，藍色）的 HFM 的藥物釋放曲線，交聯(lián)密度為 1.0 mg mL?1（B 和 D）和 3.0 mg mL?1（C 和 E） ) 初始藥物溶液濃度 (n = 3)。 5 分鐘（三角形）和 30 分鐘（十字）溶脹時間的載藥溶脹時間之間的圖表比較 (n = 3)。 所有圖中的誤差線代表 3 個單獨制備的樣品重復(fù)。

2.6.?體外藥物釋放研究

阿莫西林是治療細菌感染最廣泛使用的抗生素之一。 在此，研究了阿莫西林釋放曲線，以監(jiān)測水凝膠形成微針的受控持續(xù)藥物釋放的能力。 將負載藥物的水凝膠形成微針浸入 PBS 中，并隨時間測量 PBS 內(nèi)的阿莫西林濃度。 在藥物裝載階段，吸收的藥物一旦干燥就會被封裝在整個聚合物網(wǎng)絡(luò)中。 由于暴露于 PBS，水凝膠網(wǎng)絡(luò)擴張，形成足夠大的孔，以便藥物擴散出去。 使用校準曲線將記錄的吸光度轉(zhuǎn)換為濃度。

2.7. 負載抗生素的水凝膠形成微針的抗菌特性

利用 2:1 交聯(lián)并在 3.0 mg mL?1 中膨脹的水凝膠形成微針來評估抗菌釋放水凝膠形成微針的活性。 當孵育24小時后暴露于大腸桿菌時，負載阿莫西林的水凝膠形成微針表現(xiàn)出優(yōu)異的抗菌特性（圖5A）。

圖 5. 載藥 HFM 的紙片擴散測定。 (A) 5 分鐘膨脹、(B) 30 分鐘膨脹和 (C) 大腸桿菌對照后的 3.0 mg.mL?1 阿莫西林初始溶液。 (D) 5 分鐘膨脹、(E) 30 分鐘膨脹和 (F) 金黃色葡萄球菌對照后的 3.0 mg.mL?1 萬古霉素初始溶液。 10 毫米的比例尺。

三、結(jié)論

這項研究開發(fā)了一種快速、低成本且靈活的制造工藝，用于生產(chǎn)用于藥物輸送的可控抗菌釋放水凝膠形成微針。制造的 3D 打印微針模板經(jīng)過優(yōu)化并用于微成型工藝，形成 PDMS 負模。將所得水凝膠形成微針與市售微針模具（通過激光蝕刻成型生產(chǎn)）的豬皮膚穿透性能進行比較，表明兩者之間的性能相當，微針穿透率至少相差 9% 所需的穿透力。由3D打印微針模板制成的水凝膠形成微針以獨特的溶脹/消溶脹藥物裝載方法裝載有不同濃度的阿莫西林和萬古霉素，使得熱敏藥物能夠成功封裝，并且無需單獨的藥物儲存器。定制水凝膠形成微針的交聯(lián)密度可以控制膨脹，在 2:1 和 4:3 比例下分別達到最大 1217% 和 898%，并由此實現(xiàn)受控藥物釋放。通過分析負載抗生素的水凝膠形成微針的抗菌特性，成功證明了阿莫西林和萬古霉素可對抗兩種類型的易感細菌（大腸桿菌和金黃色葡萄球菌），這兩種細菌是造成死亡人數(shù)最多的六大病原體之一 到 AMR。最終，這項工作開發(fā)了一種透皮給藥微針平臺，該平臺能夠成功穿透皮膚，提供有效的受控藥物釋放，并通過快速、低成本、靈活的 SLA 3D 打印微成型工藝制造?？刂漆尫徘€以及控制抗菌藥物最終釋放濃度的靈活方法，有可能在所有資源設(shè)置中為患者提供所需劑量的特定皮膚貼片。

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