用于透皮给药的空心微针阵列实现糖尿病患者的自动化给药

传统的胰岛素给药系统在自动化精确给药、无痛给药以及避免无法治疗的并发症等方面存在局限性。有效的糖尿病管理亟需无痛自动给药系统的开发。众多研究认为，与其它有源器件相比，微针（microneedle）是一种有前景的无痛给药器件。微针是长度小于1毫米的微米级针头，可实现有效的透皮给药。

微针可以分为五种独特的类型，包括实心微针、涂层微针、空心微针、可溶解微针和水凝胶微针。其中，空心微针是中心有空腔，并且尖端有孔的微针。空心微针可在空心腔内容纳大剂量或大体积的药物溶液，并且能够将高分子量药物输送到表皮或真皮层上层。

此外，空心微针具有可控注射大剂量药物的能力，这使得空心微针比现有的各种“实心”微针具有更优越的给药性能。因此，目前相关研究正在致力于开发一种具有空心微针阵列、微泵、微传感器、储液器、发射器和接收器等组件的半自动胰岛素输送系统。该微型系统的关键功能是能够根据患者的生理数据自动输送合适的剂量，以避免不必要的并发症。

据麦姆斯咨询报道，近期，印度斯里瓦什布拉曼尼亚纳达尔工程学院（Sri Sivasubramaniya Nadar College of Engineering）的研究人员于Microfluidics and Nanofluidics期刊发表了题为“Effect of hollow microneedle geometry structure on mechanical stability and microfluidic flow for transdermal drug delivery applications”的论文，介绍了一种用于透皮给药（TDD）的新型空心微针阵列，该阵列具有集成的储液器和圆柱形中心管腔，可根据糖尿病患者的生理数据自动输送所需的药物剂量。

具体而言，为了构建上述的受控给药系统，研究人员设计了一种4 × 4空心聚乙烯醇（PVA）微针阵列，并对其进行了仿真分析。此外，基于几何结构（锥形、金字塔形）和相关参数（长度、基底和尖端直径），研究人员对该微针阵列进行了结构和微流控分析。

图1 空心微针阵列的制作流程  

首先，研究人员分别对4 × 4锥形和金字塔形空心微针阵列在轴向和弯曲载荷条件下的应力情况进行了研究。研究结果显示，增加微针的长度会增加其最大应力，并增大其不稳定性。其次，微针基底直径的增大会减小结构的应力和挠度，并且随着渗透率的增加，其结构的稳定性会增强。此外，针尖直径越大的微针，其引起的注射部位疼痛感越强。

图2 轴向应力分析：（a）锥形微针阵列；（b）金字塔形空心微针阵列  



图3 4 × 4金字塔形微针阵列弯曲应力分析

 

图4 轴向和弯曲载荷下微针阵列的位移变化：（a）长度；（b）基底直径；（c）针尖直径  

接着，研究人员探索了几何参数的变化对微针机械强度的影响。研究结果显示，具有生物相容性的聚乙烯醇微针阵列有足够的强度，可以成功刺穿人体而不破裂。产生的应力证明，在3.16 MPa的压力下，微针仍能保持完整。此外，研究人员发现，尖锐的锥形微针针尖产生的张力较小，可更好地实现无痛给药。

最后，研究人员以水和葡萄糖为例，对不同粘度的流体进行了微流控分析。微流控分析结果表明，高粘性流体在微针阵列中具有较低的流速，反之亦然。在入口压力为100 kPa时，锥形微针阵列中水的流速为320 μL/min，金字塔形微针阵列中水的流速为230 μL/min。

图5 不同流体的速度与微针入口压力的关系  

综上所述，在这项工作中，研究人员设计了一种用于糖尿病管理的可控给药系统。该系统主要用于根据患者的生理数据自动输送所需的药物剂量。该系统具有无痛和用户友好性，可以有效提升患者的依从性。

然而，尽管空心微针阵列的发展非常迅速，但各种器件与微针贴片的集成仍然具有挑战性。未来的工作重点是聚乙烯醇空心微针阵列的制备和其他器件与预制微针贴片的集成。此外，研究人员还将进行体内研究，将集成微针阵列的完整器件原型用在动物皮肤上，实现可控的药物输送。

审核编辑：刘清