3D打印空心微针实现远程控制传感和药物传递

来源： EFL生物3D打印与生物制造

远程健康监测和治疗是促进卫生公平、弥合地理和社会经济差距、确保服务不足或偏远地区的人公平获得高质量医疗保健的关键驱动因素。通过使医疗保健民主化，这种方法提供了及时的干预、持续监测和个性化护理，而不受个人位置或社会经济地位的影响，从而努力实现卫生资源和结果的公平分配。以微米级针头为特征的微针阵列（MNAs）彻底改变了无痛和微创的间质液用于药物传递和诊断。加拿大维多利亚大学Mohsen Akbari及其团队介绍了一种集成的治疗诊断 MNA 系统，该系统采用一系列用于定量检测间质液的pH 值、葡萄糖和乳酸的比色传感器，以及一个可以实现按需给药的远程触发系统。超声波雾化器的集成简化了 MNA，促进快速、无泵和即时药物输送，增强系统的便携性，同时降低复杂性。附带的智能手机应用程序可连接传感和药物输送组件。该系统展示的功能包括检测 pH（3- 8）、葡萄糖（高达16 mM）和乳酸（高达3.2 mM），展示了按需给药功能，以及通过划痕测定评估递送系统性能。这种创新方法面临着药物传递的挑战，特别是在管理需要长期治疗的慢性病方面，同时也为通过微针传感器进行非侵入性健康监测提供了途径。

相关研究内容以“Remote-Controlled Sensing and Drug Delivery via 3D-Printed Hollow Microneedles”为题于2024年5月23日发表在《Advanced Healthcare Materials》。   

图1 MNAs制备

图2 3D打印传感、药物递送MNA的图像

该系统采用3D打印空心微针，带有集成的超声波雾化器，可实现按需药物和精确的生物传感室（图1A）。数字光处理（DLP）打印过程如图1B所示。图1C显示智能手机控制支持的传感和药物传递系统；3D打印MNA的SEM图像如图1D、E所示。   

生物传感室呈正方形，形状和尺寸如图2A所示。用于传感和药物传递的MNA尺寸、形状和部件如图2A-C所示。使用测力计对MNA进行机械测试，力-位移图如图2D所示。通过穿透猪皮肤来评估MNA穿透皮肤的性能。图2E显示用蓝色染料插入MNA前后的猪皮肤。MNA穿透后猪皮肤的横截面如图2E（iv）所示。

图3 生物传感

图3A代表用于单个生物标志物感知的MNA，图3B显示同时感知各种生物标志物的MNA。与孔直径为400µm的MNA相比，孔直径更大的MNA促进更多的液体转移（图3C）。对于直径为400μm的阵列，在不到4分钟的时间内完成传感器颜色变化，响应时间明显更快（由润湿面积表示，图3D）。当MNA将提取的溶液引入传感器时，其颜色会发生瞬时变化，这取决于pH值（图3E），pH值更高时，传感器的颜色变为蓝色。当葡萄糖引入传感器时，其氧化以及氧还原产生过氧化氢，反过来又引发过氧化物酶氧化成碘氧化物，导致颜色变化。如图3F所示，颜色从浅黄色（没有葡萄糖）变为红色（16 mM葡萄糖）。0到3.2的乳酸浓度结果如图3G所示。在检测过程之后，从传感器拍摄的照片在红色、绿色和蓝色通道中进行仔细检查，随着乳酸浓度的增加，红、绿通道呈上升趋势，而蓝色通道呈下降趋势（图3G）。   

图4 药物传递

本研究使用一个以琼脂糖水凝胶层为膜的Franz细胞室，用于模拟皮肤屏障（图4A）。超声辅助MNA的药物递送率比局部和仅微针高得多，而微针的药物传递率比局部好得多（图4B）。使用Micro 3D打印机制作孔直径为200µm、300µm和500µm的MNA进行比较，增加孔径可以增加药物递送率（4C），表明通过使用不同的MNA孔径来控制药物递送率是可能的。MNA能有效地渗透水凝胶，超声振动能促进药物传递（图4F）。   

图5 细胞毒性

本研究目的是比较药物传递装置的性能与直接添加到介质中的条件。通过使用1、2天后拍摄的明场图像监测划痕区域。结果如图5-C所示，超声辅助MNA与直接添加补充剂相似，表明该系统可以有效地传递药物。进行细胞活力测定以评估该系统的细胞毒性，将3D打印的MNA在培养基中孵育，并将这些孵育的提取物转移到含有细胞的孔中，然后记录不同时间点的细胞活力，与对照组相比，24h、48h后细胞活力下降，但均无统计学意义（图5D），表明所测试的材料适用于制造用于药物递送和传感应用的MNA。

总之，本研究探索了一种具有3D打印空心MNA的设备在生物标志物传感和按需药物传递方面的潜力。生物标志物比色监测和按需药物递送的双重功能为闭环按需给药提供一种通用、创新的方法。通过对pH、葡萄糖和乳酸的比色分析，证明了MNA的传感能力。此外，通过涉及局部应用、微针穿透和超声辅助微针递送的比较研究来评估该设备的药物传递性能。与其他方法相比，超声辅助微针的方法在药物传递方面明显更有效，显示了控制和增强药物传递的潜力。综上所述，具有DLP-3D打印空心MNA的可穿戴设备为按需给药和健康监测提供一个多方面的解决方案。

文章来源：https://doi.org/10.1002/adhm.202400881