《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(lái)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(chǎng)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(rùn)的粘液屏障,，不僅會(huì)阻礙藥物進(jìn)入患處,，還會(huì)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(chǎng)景下，常需要將藥物快速起效和長(zhǎng)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(wàn)乾炳教授團(tuán)隊(duì)合作，從藍(lán)環(huán)章魚的捕獵過(guò)程獲得啟發(fā),，開發(fā)了一種可在錨固在濕潤(rùn)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(tái)。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(wàn)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(huì)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(zhǎng)效得維持療效,。此外，針對(duì)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(guò)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(duì)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(guò)間接3D打印法制備了貼片所需要的模具,，通過(guò)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(méi)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(cè)

復(fù)雜組分,，精確成型。常規(guī)的以水凝膠為對(duì)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(duì)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(chǎng)景攜帶對(duì)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(huì)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(zhǎng)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(píng)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(zhǎng)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(píng)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(píng)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(guò)主動(dòng)注射高劑量藥物,，快速遏制腫瘤的生長(zhǎng)過(guò)程，使得病變得到快速控制,；并在后續(xù)的治療過(guò)程緩釋藥物以維持療效,，防止腫瘤增殖趨勢(shì)的重新抬頭。

圖6 仿生貼片治療早期黑色素瘤的療效評(píng)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(zhǎng)久以來(lái)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(lái)源：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adh2213