基于胶原蛋白的柔性基底溶解微针设计

为了预防和逆转皮肤衰老及治疗皮肤病，人们做了很多努力，其中抗糖化食品、化妆品、能量皮肤嫩肤、口服胶原蛋白、真皮注射填充剂等显示出一定的效果。然而，大多数方法都有一定的缺点。生物相容性聚合物微针（MNs）正在成为一种新型的无痛、无创、高效的经皮给药平台，美容应用是MNs成功应用的最有前途的领域之一。

基于此，来自沈阳药科大学的凌桂霞、张鹏共同开发出一种快速溶解的微针（DMN）贴片。采用两步铸模法，以皮肤细胞中所含的水解胶原蛋白（HC）为主要原料，以简单、微创的方式递送胶原蛋白，使被封装的药物在皮肤中释放。通过优化HC和辅助支撑材料的配方和比例，获得了刺穿皮肤所需的机械强度，同时柔软的基底允许应用的灵活性。DMNs可在15分钟内完全溶解在皮肤中，约8小时内释放，并且在使用时不会产生毒性和刺激。与口服和外用的效果不佳，以及经皮注射的高风险相比，载药的HC DMNs克服了传统方法直接渗透和微创的缺点，使治疗高效和安全。HC DMNs的成功制备和研究在该领域具有创新和现实意义，有望成为一种简单、有效、大众化的化妆品透皮给药平台。相关论文以“Collagen-based dissolving microneedles with flexible pedestals: A transdermal delivery system for both anti-aging and skin diseases”为题发表在Advanced Healthcare Materials期刊上。

针对目前药妆领域的发展现状，该研究旨在以HC为主要基质，结合几种常用的生物相容性材料，克服HC单独机械强度差的缺点，筛选制备一种贴合皮肤的柔性基底DMN贴片，用于胶原蛋白输送，改善皮肤质量。将烟酰胺进一步加载到MNs中，与简单的HC DMNs相比，有望同时实现逆转皮肤衰老和治疗皮肤病的双重效果（图1）。

图1 MN贴片的制备过程及其在面部抗衰老中的应用

空白DMNs的制备

用HC与5种聚合物结合的溶液制备DMNs阵列。结果表明，HC/海藻酸钠（SA）是制备DMNs的最佳配方。如图2所示，展示了微针正面的直观照片和显微图像（正面、侧面）。

图2 MN的直观照片和显微图像（正面、侧面）

带柔性基底的负载烟酰胺DMNs的制备

为了制备负载烟酰胺的柔性基底DMN贴片，采用了两步铸造工艺。在第一步中，将药物和HC/SA溶液的混合物填充到聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具中形成尖端。其次，将聚乙烯醇（PVA）涂覆到模具中形成基底（图3）。贴片由高度为1000 μm，底部宽度为500 μm的矩形金字塔针组成。用数码相机拍摄的照片显示PVA基底柔软且有弹性（图4B）。此外，扫描电镜（SEM）图像证实，DMN的尖端是锋利的，没有任何可见的断裂（图4C和4D）。

图3 柔性基底DMNs的制造工艺

图4 DMNs的形态

傅里叶变换红外光谱（FTIR）

图5显示了烟酰胺、HC/SA空白DMNs和负载烟酰胺的HC/SA DMNs的三个不同的红外（IR）光谱。结果显示，在光谱中观察到HC、SA和烟酰胺的特征吸收峰。在DMNs的形成过程中没有新的明显吸收峰，烟酰胺在HC/SA DMNs中没有降解和结构变化，表明该药物与聚合物之间没有不相容，意味着成功地制备了烟酰胺负载HC/SA DMNs。并且DMNs中的药物含量没有减少，从而确保了MNs在使用过程中能够发挥预期的功能。

图5 烟酰胺、HC/SA DMN和HC/SA DMN负载烟酰胺的FTIR光谱

力学测试

为了在临床上成功、正确地使用MNs，需要在不弯曲、不断裂的情况下植入皮肤内。因此，机械强度对MNs的插入具有重要意义。如图6所示，所制备的DMN可以承受每针12 N和0.12 N的力，超过了人体皮肤植入所需的力（≈ 0.1N），表明机械强度很高。

图6 电子万能试验机原理图（左）和DMN贴片在垂直力作用下的力学行为图（右）

皮肤渗透性能和渗透深度

如图7A和B所示，DMN贴片被插入锡箔中。去除后，锡箔上留下了完整的微孔阵列，而DMN尖端在显微镜下观察时仍保持其原始形状，几乎没有损伤。结果表明，DMN贴片具有一定的植皮能力。为了进一步验证DMN贴片的植皮能力，以新鲜猪皮为材料，考察了DMN贴片的植皮能力。结果如图7C所示。当含有台盼蓝的DMN贴片被插入猪皮肤时，皮肤上留下了完整的蓝色微孔阵列。由此可见，MN贴片能成功穿透角质层，皮肤穿刺率可达100%。植入深度为DMNs植入处大鼠皮肤切片，苏木精-伊红（H&E）染色。如图7D所示，组织切片可以很容易地显示DMNs产生的微孔，针可以刺穿皮肤并产生更深的微通道，深入真皮。

图7 DMNs的插入能力

DMNs的体内外快速溶出

在体外，将DMN插入制备的琼脂糖凝胶中，在不同的时间点取出，在显微镜下观察。DMNs的溶解过程如图8A所示。可以看到DMNs在凝胶中迅速溶解，针的所有部分在3分钟内溶解。在体内，将具有柔性基底的DMN植入剃毛大鼠的背部皮肤，并在不同时间点取出。DMNs的溶解过程如图8B所示。DMNs植入皮肤后开始溶解，整个DMNs在15分钟内完全溶解。这两个结果都表明HC/SA DMNs具有快速溶解的能力。

图8 DMNs的体内外快速溶出

皮肤安全性和溶血

如图9A所示，去除贴片后，应用DMNs的皮肤表面出现了明显的微孔和局部红斑，但没有明显的肿胀。随着时间的延长，红斑消失，皮肤表面几乎恢复到原来的状态。还进行了溶血试验，以评估实际使用中负载烟酰胺的DMNs的潜在毒性效应。图9B显示了该实验的结果。结果表明，烟酰胺MN溶液无任何毒性，与红细胞孵育后的上清液如图所示。因此，烟酰胺和HC/SA DMNs经皮给药是安全的。

图9 皮肤安全性和溶血

含量测定及体外透皮吸收能力评价

采用Franz扩散细胞法研究了烟酰胺DMNs和乳膏在大鼠皮肤中的通透性。结果如图10所示，DMNs制剂中烟酰胺的累积释放量明显高于乳霜制剂。HC/SA DMNs在8 h内释放约52%的烟酰胺，而乳膏制剂在8 h内仅释放约25.6%。烟酰胺在接受池的累积透皮释放量（%）为52%，说明残留的48%可产生局部效应。

图10 烟酰胺DMNs的体外透皮释放与乳膏应用的比较

羟脯氨酸的测定

如图11所示，与未处理的对照组相比，MN组皮肤的水解和颜色发育显示羟基脯氨酸水平（通常被认为代表胶原蛋白的产生量）增加。此外，显微镜下观察应用于大鼠皮肤的DMN阵列，只留下针根甚至消失，表明HC针尖已经溶解在皮肤中，这也证明了胶原蛋白成功递送到皮肤。

图11 对照组和实验组皮肤羟脯氨酸含量

综上所述，该研究筛选了几种以胶原为主要成分制备DMNs的配方，确定16% w/v HC/SA（7:3）的溶液最适合制备形态完整、机械强度好、成本合适的胶原DMNs。PVA制备的基底使MN易于弯曲并贴合皮肤。此外，该研究首次证明在DMNs中添加烟酰胺是可行的。负载烟酰胺的MNs阵列可以穿透猪和大鼠的皮肤，达到一定的深度，实现胶原蛋白的真皮递送。同时，其溶出速度快，生物安全性高，使用方便，附着力强。此外，烟酰胺在DMNs中的皮肤渗透性优于乳膏制剂，渗透性为52%，保留率为48%。因此，无论是经皮给药还是局部作用，将来都有一定的效果。在体内抗衰老效果评价中，胶原蛋白MNs也初步显示出提高皮肤胶原蛋白含量的能力。在移除DMN贴片后，皮肤自然愈合，没有任何感染迹象。

审核编辑：刘清