微针技术应用研究现状

　　摘 要：微针是通过微制造加工获得的一种针状体，单个针体尺寸为微米级，多个针体组成微针阵列，能够穿透皮肤角质层直达真皮层，在研发初期主要用于药物递送。与口服给药相比，微针能避开消化系统对药物的代谢作用;与注射针头相比，微针能够有效减小患者疼痛感，提高患者依从性。此外，微针技术因为其便捷的透皮作用方式，在疫苗接种、组织液提取、生物标志物检测、医疗美容等领域的应用也被广泛开发。微针的制作材料有硅，不锈钢及生物降解材料，如透明质酸、聚乳酸等;从给药方式上可分为固体、包被、溶解、空心以及水凝胶等多种微针类型。本综述结合近年来微针技术相关进展，简要概述微针的制造材料及作用形式，重点介绍微针在药物递送，疫苗接种及组织液提取和生物标志物检测领域的应用，探讨微针的机械强度、生物安全性、无菌化处理及稳定性等对其在市场上推广应用的影响，并对其未来发展进行展望。要 点：(1) 微针技术是一种微创、便捷而精确有效的先进医疗技术。(2) 微针由金属、玻璃、硅、陶瓷、不锈钢或生物降解材料等多种材料制备而成。(3) 根据作用模式，微针包括固体、包被、溶解、空心和水凝胶微针五种类型。(4) 微针技术广泛应用于药物递送、疫苗接种、组织液提取以及生物标志物检测等领域。

　　关键词：微针;透皮技术;工作原理;医学应用;未来发展

　　1 前 言

　　微针是通过微制造加工而成的一种针状体，针头直径多为几十微米，长度一般为几十微米至几毫米，多以单针体或多针体阵列形式存在。微针可进行皮肤穿刺，因其微创，便捷，而又精确有效的作用模式，已广泛用于药物递送、疫苗接种、组织液提取、生物标志物检测等。以药物递送为例，微针可穿透皮肤角质层直达真皮层，形成微米尺寸给药通道，使药物递送更精准快速、剂量更稳定。相比口服给药，微针能避开消化系统对药物的代谢;相比肌肉注射，微针能减少疼痛，提高依从性。因此，微针作为一种新兴透皮技术在医疗领域具有广阔发展前景。

　　微针可由金属、玻璃、硅、陶瓷、不锈钢或生物降解材料(如透明质酸、聚乳酸)等，通过蚀刻[1-3]、激光切割模具[4]、金属电镀[5]、光刻[6]等技术制备而得;按透皮作用方式，主要分为五类：固体微针、包被微针、溶解微针、空心微针、水凝胶微针。该技术最早出现于 1976 年[7]，但由于微加工技术的匮乏，直到20世纪90年代才得以推广。据中国知网以及 web of Science的文献检索分析，微针技术相关研究在近二十年来发表文章数逐年升高，十分具有发展前景。 本文对近年来具有代表性的微针研究进行梳理归纳，简要概述微针的透皮作用方式及制作材料，重点归纳微针的应用研究现状，并对微针技术及应用中可能存在的问题进行探讨，对未来发展方向进行展望。

　　2 微针分类

　　当前，根据微针透皮给药的作用方式，可将微针分为五类：固体微针、包被微针、溶解微针、空心微针和水凝胶微针，下面简要介绍这五类微针的制备材质及作用方式，并讨论不同微针的优缺点。

　　固体微针的作用主要是增强皮肤渗透性[8,9]，需要制作材料具有足够的韧性，通常由硅[1,10]、陶瓷[11]、不锈钢[12]、钛[13,14]、钽[15]、玻璃[16]等制备而得。固体微针穿透皮肤角质层后留下微小孔洞，再在皮肤表面涂覆药物;药物经小孔进入皮肤，达到局部作用效果，或是经毛细血管吸收，达到全身给药的效果[17]。包被微针可将不锈钢[18]、钛[19]、硅[20]、陶瓷[21]、聚碳酸酯[22]、聚乳酸[23]等经微加工制备而得，且其表面被药物包被，待微针穿透角质层后，药物从微针进入皮肤，给药完成后再将微针去除。溶解微针是将包裹有药物的可降解性聚合物经微加工技术制作成微针，当其作用于皮肤时，可降解聚合物会在皮肤组织中溶解，释放出包裹的药物，其制造材料有透明质酸[24,25]、壳聚糖[26]、聚乙烯吡咯烷酮[27]、硫酸软骨素[28]明胶和淀粉[29]等。

　　空心微针是具有中空通道的微针，作用于皮肤后用于药物输送，也可以用于组织液提取，制造材料有聚乳酸[30]、硅[31]、金属[32]、二氧化硅[33]。水凝胶微针是通过微加工技术将包裹有药物的水凝胶制成微针，在进入皮肤后，水凝胶与组织液混合后溶胀释放出其包裹的药物，待给药完成后去除微针。水凝胶微针的制造材料有透明质酸-丙烯酸甲酯共聚物(HA-MA)[34,35]、聚丙烯酸-马来酸共聚物和聚乙烯醇(PAMA/PVA)[36]等。由于作用方式的差异，不同微针的制作材料和使用要求也不同：

　　1.在机械性能上，固体微针和包被微针的性能较好，空心微针，溶解微针和水凝胶微针的性能较差，且稳定性欠佳。

　　2.在生物相容性上，固体微针，包被微针和空心微针作用于皮肤一段时间后会拔出，因此对材料的生物形容性要求较低，如若意外断裂在皮肤内，会产生一定风险;而溶解微针和水凝胶微针，其制造材料均需具有较好的生物相容性，尤其是溶解微针，其针体需断裂且留在体内被完全吸收，对制作材料的生物安全性有更高的要求。

　　3.在加工工艺方面，固体微针和包被微针的制作工艺最为简单，而溶解微针和水凝胶微针需要保持微针的韧性又要具有生物相容性制作工艺相对复杂，空心微针兼具微针和中空结构对制作材质和工艺都提出更高的要求，加工最为困难。4.在使用方面，固体微针的使用方式较为繁琐，需微针刺孔结合药物涂覆;包被微针使用简便，但碍于其微针上涂层的厚度有限，其递送量较小，而且涂层还有脱落的可能;溶解微针和水凝胶微针的使用简单，它们还可以通过添加功能性纳米颗粒等药物释放触发装置，实现对药物或生物制剂释放动力学的控制;空心微针的使用往往需要伴随一个外加装置进行抽吸或是输送，能够速率可控地递送药物且支持大剂量输送，优势十分明显。此外，空心微针和水凝胶微针均可用于间质液的提取。综上，在具体应用中，可根据操作目的决定微针种类，并根据具体需求选择制作材质。

　　3 微针应用技术

　　微针技术作为一种新型透皮技术，具有患者依从性好、可控性强、药物输送精确有效等特点，在医疗领域的应用被广泛挖掘。微针技术在药物递送、促进伤口愈合、疫苗接种、组织液提取、生物标志物检测和医疗美容(图8)等方面显示出良好的应用前景。

　　3.1 药物递送

　　3.1.1 微针递送胰岛素糖尿病，几乎无法根治，常规治疗手段是注射胰岛素，是当今的医疗难题之一。然而，胰岛素作为一种蛋白类激素，口服会导致其被消化液降解失去功能，只能通过注射给药，而注射导致的疼痛以及针头恐惧症的存在会使患者依从性变差。在这种情况下，微针技术的无痛透皮给药提供了治疗新途径[37]。研究人员采用缺氧敏感的透明质酸(HS-HA)与2-硝基咪唑通过共轭自组装得到包含有胰岛素和葡萄糖氧化酶的反应型囊泡，并将其添加至微针中。在糖尿病患者高血糖情况下，葡萄糖氧化酶在氧气存在下氧化葡萄糖引起局部缺氧，使得HS-HA被还原，引发囊泡的解离并释放胰岛素，达到智能调控血糖的作用[38]。类似的研究思路还有使用明胶和淀粉物理混合后作为材料制作溶解微针贴片，在其针体中封装高胰岛素负载的金纳米簇(AuNC)纳米载体药物，使得微针具有葡萄糖反应性的胰岛素释放机制。在进入皮肤内受到葡萄糖刺激后，金纳米簇药物载体会分解释放其中的胰岛素，从而使血糖水平下降。实验中通过微针贴片在小鼠背部的应用，使1型糖尿病小鼠的症状得到了有效缓解，并能控制其1-2天内的血糖维持在正常范围[29]。

　　3.1.2 微针递送抗肿瘤药物癌症是当前致死率极高的疾病之一，常规的化疗手段，患者不仅痛苦而且会破坏全身细胞，造成不可逆损伤，因此十分有必要寻找一种新型的用于定点清除肿瘤细胞的方式。近期，Wang及其团队开发了具有抗肿瘤特性的微针贴片。微针由生物相容性好的透明质酸和对pH敏感的葡聚糖纳米颗粒组装而成，并在葡聚糖纳米颗粒中加入了anti-PD1抗体和葡萄糖氧化酶。当微针贴片插入皮肤后，血液中的葡萄糖会被贴片中的葡萄糖氧化酶转化成葡萄糖酸，酸性环境导致葡聚糖纳米颗粒解离，从而引发anti-PD1大量释放，使T细胞免于凋亡保留活性，并杀死肿瘤细胞，达到抗肿瘤的效果。研究者以患皮肤黑色素瘤的小鼠作为模型，比较了可降解微针贴片、无降解触发器的微针贴片、注射相同剂量游离anti-PD1抗体对肿瘤的免疫治疗效果。结果表明，可降解微针贴片的疗效最好[39]。

　　近期，Chen研究团队将冷气氛等离子体(CAP)介导的免疫检查点阻断剂(ICB)疗法与微针技术相结合，使用空心微针运输CAP，使肿瘤细胞死亡，随后肿瘤相关抗原经过一系列级联反应后启动T细胞介导的免疫反应，同时微针针体中还会释放出anti-PD1(一种免疫检查点抑制剂)，进一步增强抗肿瘤的免疫力[40]。这些实验都体现了微针在抗肿瘤免疫疗法中的潜力，其高效的运输效率和准确的作用位置，有望取代部分全身输药的肿瘤治疗方式。

　　3.1.3 微针递送避孕激素因避孕措施不到位导致的意外怀孕人数众多，采取安全且有效的避孕方式是重中之重。当下，主流的避孕方式有口服短效避孕药，皮下埋植避孕激素等。微针技术为新型避孕方式提供了可能。Li和其研究团队，以生物可降解的聚乳酸和聚乳酸-乙醇酸包埋左炔诺孕酮用于避孕激素在体内的持续释放。小鼠实验表明，该溶解微针韧性好可穿透皮肤，待进入皮肤五秒钟后微针在剪切力作用下发生断裂，留在皮肤中继续生效，可使血浆激素浓度在一个月内满足人体避孕所需水平[41]。该研究给予了一种可能普及的避孕技术，通过每月自主使用微针贴片，达到避孕效果，不需要按时口服避孕激素或皮下埋植避孕，能够很大程度上减少漏服药物的风险，减少对皮下埋植的恐惧。

　　3.2 利于伤口愈合的微针贴片当皮肤破损出现伤口时，细菌、病毒等病原体通过伤口进入人体内，会导致发烧甚至危及生命。因此，加速伤口愈合、避免伤口感染是一直是医学研究热点。Chi及其研究团队采用生物质壳聚糖合成了微针阵列贴片，能够在抑制伤口炎症反应的同时，促进伤口愈合。壳聚糖天然的抗菌能力，使其已经被广泛地应用到了创口愈合的领域[42]。在药物装载方面，该研究团队采用温度敏感的水凝胶将血管内皮生长因子(VEGF)封装在微针贴片的微孔中。当炎症反应引起温度上升时，微针贴片封装的温敏水凝胶发生溶解，药物便从水凝胶中释放，达到智能给药的目的。实验证明，该贴片能够在伤口愈合过程中抑制炎症反应，促进胶原蛋白沉积，还可加快血管等周围组织的再生速度，有利于伤口愈合[42]。上述研究为微针贴片的应用提供了新思路，通过研发出类似“创可贴”的微针医疗用品，能够更有效地向伤口处组织输送药物，发挥炎症抑制作用，加快伤口愈合，有望替代创可贴的医疗位置。

　　3.3 微针用于疫苗接种微针贴片作为一种新型透皮技术，可一定程度替代传统的针头和注射器进行免疫接种。TIV-MNP 2015是一项在美国埃默里大学展开的Ⅰ期临床试验，评估了通过溶解微针贴片和常规注射手段的流感疫苗免疫以及不良事件概率。实验从美国亚特兰大当地社区招募了18-49岁的未怀孕、免疫功能良好的成年人，按照(1:1:1:1)的方式随机分为四组，分别接受医护人员使用微针贴片、自行使用微针贴片、肌肉注射等方式接种灭活流感疫苗，并以微针贴片安慰剂作对照。实验结果表明，微针贴片及自行使用微针贴片接种灭活流感疫苗组的反应原性事件发生率相似，且大多数情况较轻。对于2级和3级反应原性事件发生率来说，肌肉注射接种灭活流感疫苗组(12%，25 名参与者中有 3 例)高于以上两组微针贴片的总和(2%，50名参与者中有一例)。

　　同时，肌肉注射的疼痛情况较微针组更为严重。但以上两组微针贴片报告的局部反应原性事件明显多于肌肉注射组，如接种部位的瘙痒或红斑。实验后续通过血凝抑制实验评价了不同接种方式的免疫效果，结果显示，医护人员使用微针贴片组、自我使用微针贴片组和肌肉注射组的免疫效果相似。在实验结束后，微针贴片组的50名参与者中有48名报告没有疼痛，占比96%，而肌肉注射的25名参与者中，仅有18名(82%)报告为无痛。[43]。该实验体现了微针技术在疫苗接种上的潜力，在接种达到相同免疫效果的同时，微针的疼痛以及后续不良反应的情况均较轻。同时，微针技术还提供了自我接种疫苗的可能，有望投入市场，让接种疫苗变得更轻松简单，能够极大程度地提高免疫人群的覆盖面积。

　　3.4 微针用于生物标志物检测和组织液提取实时监测人体的生物标志物水平，评估人体的生理情况，在生物、医疗领域具有十分重要地位。Anastasova及其研究团队构建柔性微针传感器阵列，对人体汗液进行实时测试，报告了钠、乳酸和皮质醇的水平[44]。此外，Liu研发出基于比率荧光的微针贴片传感器，动态监测体内炎症情况[45]。组织液具有重要医疗和生理意义，它能够反应局部组织生理状态，但在临床上缺乏简单有效的能够提取纳升以上组织液的技术。组织液采样的限速步骤是组织液通过真皮层传输到采样器，Samant等通过空心微针和吸力驱动克服了上述问题，成功收集了人类皮肤中的组织液[46]，证明了微针贴片在组织液提取上的巨大潜力。但由于组织液其中的生物标志物难以检出，Wang及其研究小组基于金纳米棒局域表面等离子共振效应，构建了等离子态荧光团，并将其应用到了微针技术的后续检测步骤中，检出限降低了800倍[47]。该实验证明了微针技术在生物标志物检测中的潜在价值，通过与其他增强技术的结合，有可能为便捷、准确定量分析打开新的路径。

　　3.5 微针用于医疗美容随着年龄增长，皮肤会衰老，最明显的表现是产生皱纹;发展新技术用于延缓皮肤衰老、美容除皱具有重要研究意义和市场价值。近期研究表明，微针技术在医疗美容上具有巨大的发展潜力。2020年，Zevzdin等报道了一项基于微针贴片的医疗美容技术[48]。研究者们发展了一种透明质酸(HA)包被阿魏酸(一种用于皮肤改善的添加剂)的可溶性微针贴片，用于82名无皮肤病、健康女性其中一侧的面部眶下区域。微针贴片持续使用三周，每周两次，每次持续25分钟。随后，皮肤科医生对受试者进行盲样评测，结合仪器测量的褶皱参数对实验效果进行评估。专家评估显示，与对照组相比，89.9%的受试者表皮皱纹减少，涂抹区域浮肿程度下降，78.3%的受试者皮肤弹性得到改善。仪器测试结果显示，相比对照组，受试者皮肤平均粗糙指数和平均波纹度出现了显著下降。

　　4 微针技术面临的问题

　　虽然微针技术在医疗领域已经有着十分显著的成果，有广阔的应用前景，但在其实际投入生产应用前，还有许多问题需要解决，比如机械强度，生物安全性等等，下文中将一一介绍。

　　4.1 机械强度不同材料制造出的微针具有不同的作用方式和性能，但都存在一定缺陷，主要是生物安全性和机械强度之间的矛盾。生物相容性较好的材料往往在机械强度上略逊一筹。当前，随着微针制造技术的迅速发展，材料的选择范围越来越宽，寻找最适的微针材料，制作满足应用需求的微针，当属重中之重。

　　4.2 生物安全性数十年来，金属或不锈钢材质的注射器在医疗中有着极为广泛的应用。因此，金属或不锈钢微针的安全性评估相对较全。溶解微针的整个针体在作用后会断裂留存在体内，因此对合成材料的生物安全性需要进行严格的评估。除此之外，微针潜在的安全隐患还包括使用处的皮肤感染。研究表明，传统皮下注射造成感染的风险主要来自于消毒和针头的重复使用[50]，在本综述所列举的文章中，皮肤感染情况并未出现。有研究者通过猪皮进行实验，证明微针穿刺留下孔洞后造成的微生物渗透远少于皮下针穿刺[51]。

　　4.3 无菌化处理微针虽然无痛，但其本质上与皮下注射类似，都会触及到生物体的体液，因此微针无菌化、消毒处理非常重要。微针的消毒方式因微针材质及表面涂覆材料的稳定性等有显著差异，比如使用聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)制作的微针 ，其中封装了牛血清白蛋白(BSA)，热消毒十分钟以内不会显著损害其蛋白质稳定性，但超过二十分钟则会诱导蛋白质聚集[52]。而对于以透明质酸制造的微针，显然无法在凝胶成型后进行高温灭菌。选用合适手段对微针进行彻底消毒、无菌化处理是微针技术在实际生产中的一大难题，寻找一种普适性的微针制造材料也许能提供解决方案。

　　4.4 稳定性

　　微针用于疫苗接种，免疫效果显著，十分具有吸引力。然而，实际应用过程中，微针制作完成后，不能立即应用前提下，微针表面的抗原会受保存时间的影响。Kim一项研究表明，涂有灭活流感疫苗的微针贴片在一个月过后，其表面存在的抗原少了大约20%。尽管免疫接种实验表明，微针放置一月后与新鲜制备微针在对小鼠进行预防接种后，小鼠有相似的lgG程度(lgG是一种免疫球蛋白，其水平可以反映机体免疫情况)[53]，但微针在实际应用中如何长期保持其负载的灭活病毒或其他生物物质的活性也是亟待解决的问题。

　　5 结语与展望

　　近些年来，随着微针制造技术的不断更新，微针技术领域越来越受人关注，相关文章的发表量也在逐年提高。微针有不同的材质满足透皮后不同的作用方式，用于递送药物、疫苗接种、生物标志物检测、组织液提取和美容医疗等生物医疗领域。在这些不同的领域中，微针技术都因为其独特的作用途径占据一席之地。微针能穿过角质层进行的应用极大程度上减少了疼痛，能使应用对象的舒适感和依从性得到提高。在药物递送方面，微针技术提供了局部给药的新思路，它能够使药物分子从容自如地越过角质层这一强大的屏障，避免了消化系统对药物效果产生的影响，也减少了对药物分子的形态以及性质的特殊限制。微针技术在药物递送中的便捷性和患者依从性是其最突出的优点，其未来发展路线十分宽阔，可以开发许多紧急使用的产品，比如在急性心脏病发作的场景下，基于现有心脏病药物开发的微针贴片可以对自救或他人救援提供一定帮助。

　　疫苗接种上，传统方式是通过肌肉注射进行免疫，这种方式虽然十分有效，但接种过程需要专业人员进行，也会产生一定疼痛。微针贴片理想的应用将使疫苗接种的方式产生革命性改变，从统一医疗点的注射免疫，变为自行管理的微针免疫，无痛易接受，提高疫苗接种覆盖率。在生物标志物检测方面，通过选用合适的信号放大途径开发出能通过宏观变化反应生物标志物水平的微针贴片，能够使医疗诊断变得更加轻松和便捷 ，使我们可以在物资紧缺的环境下，对患者病理情况做出更准确的判断。

　　此外，微针技术可以集成到微流控芯片等微型电子平台，结合到穿戴设备上，对使用者的健康情况进行实时监测，实现智能化给药。微针技术具有广发应用前景的同时，依旧面临着许多问题。首先，微针材料的机械强度和生物安全性需严格评估。此外，不同肤色、年龄和性别的人皮肤厚度不同，在制造微针时，需考虑微针群体适用性。同时，与科研实验不同，把微针技术真正投放市场需克服很多困难，比如批量生产问题、工业制造中的消毒问题、投入市场时微针的稳定性或有效期问题以及微针的制作成本问题等，这些都是微针投放市场必须考虑或解决的问题。

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　　作者：赵思博， 鲍仪如， 谢 敏

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