雙層可分離式微針技術(shù)用于慢性傷口的程序化治療

有一些疾病例如糖尿病足等引發(fā)的慢性傷口一生都有發(fā)展為不可治愈潰瘍的風(fēng)險。然而，目前對慢性創(chuàng )傷的治療仍不理想，缺乏將快速換藥、長(cháng)效治療和高療效融為一體的理想創(chuàng )面敷料。

有鑒于此，北京航空航天大學(xué)樊瑜波教授與牛旭鋒教授提出了一種具有雙層結構的協(xié)同可分離微針（MNs），通過(guò)一次性敷料實(shí)現程序化處理。該微針由殼聚糖（CS）水凝膠為針尖，包合Mg的聚乙烯基吡咯烷酮（PVP）為基底。由于針尖的局部潮濕環(huán)境增強了Mg與炎癥微環(huán)境的反應，使Mg/PVP基底在幾分鐘內溶解，從而實(shí)現協(xié)同分離（圖1）。Mg與針尖負載的三七皂苷（PNS）聯(lián)合治療，實(shí)現抗菌、新生血管、激活良性免疫反應，進(jìn)而使創(chuàng )面愈合的炎癥、組織增殖、組織重塑三個(gè)重疊期達到動(dòng)態(tài)平衡。相關(guān)工作以題“Synergistically Detachable Microneedle Dressing for Programmed Treatment of Chronic Wounds”發(fā)表于Advanced Healthcare Materials。

微針制備

為了進(jìn)行微針制備，研究人員將CS和PNS依次溶于乙酸溶液并真空澆筑成針尖，而后浸泡于NaOH溶液中除酸并交聯(lián)CS，接著(zhù)將Mg顆粒沉積于CS上，加入PVP制備得到PVP-Mg基底。在制備過(guò)程中，為防止Mg在酸性溶液中的反應，需將整個(gè)模具浸入NaOH（10% w/v）水溶液中，并使CS固化。

圖1 雙層微針

協(xié)同分離

相較于CS/PVP MNs，CS/Mg-PVP MNs扎入模擬傷口后產(chǎn)生大量氣泡（圖2），基底快速崩解，染料滲透性增加。這歸因于Mg與炎癥微環(huán)境反應產(chǎn)生H?，促進(jìn)了針尖基底分離，增加藥物滲透性。同時(shí)，扎入模擬傷口5分鐘后去除微針基底，發(fā)現CS/Mg-PVP MNs的基底分離率（87.5%）顯著(zhù)高于對照組（29.3%）與其他實(shí)驗組（圖3a），說(shuō)明Mg可以有效提高針尖分離率，實(shí)現針尖協(xié)同分離。

圖2 微針體外分離試驗

藥物爆釋與緩釋

研究人員以牛血清白蛋白（BSA）為生物大分子藥物，羅丹明B（RhB）為小分子藥物研究微針的可編程的多級釋藥。研究發(fā)現，當藥物載于PVP基底時(shí)，Mg反應產(chǎn)生大量H?氣泡并在基底中形成空腔。腔體可增加反應面積，加速PVP的溶解，導致藥物的爆釋?zhuān)▓D3b）。藥物釋放量為~90%時(shí)，相較于CS/PVP MNs，CS/Mg-PVP MNs中的BSA（40min→9min）和RhB（30min→9min）釋放時(shí)間均減少（圖3c）。而當藥物載于CS針尖時(shí)，有無(wú)Mg的兩種微針均顯示出藥物的長(cháng)效釋放（圖3d）。

圖3 藥物釋放曲線(xiàn)

金黃色葡萄球菌感染的糖尿病傷口愈合

SD大鼠體內研究發(fā)現，對金黃色葡萄球菌感染的大鼠進(jìn)行治療10天后，PNS-CS/Mg-PVP MNs組的傷口面積（6.34%）遠小于對照組（Control）（34.43%）（圖4b，c），其肉芽組織厚度（1271.7μm）也遠大Control組（437.4μm）、CS/PVP MNs組（606.4μm）和CS/Mg-PVP MNs組（838.3μm）（圖4d），并且PNS可促進(jìn)細胞再上皮化（圖5）。MTS結果顯示Control組會(huì )形成血痂（圖6），并且血痂下出現異常柱狀上皮堆積及上皮細胞增生，說(shuō)明因細菌感染導致創(chuàng )面愈合異常及增生性瘢痕。但實(shí)驗組幾乎未見(jiàn)血痂形成，并且PNS-CS/Mg-PVP MNs新生成的成纖維細胞可以促進(jìn)膠原沉積進(jìn)而實(shí)現細菌感染引起的慢性創(chuàng )傷的愈合。同時(shí)，針對血小板-內皮細胞粘附分子（CD31）的相關(guān)定量分析顯示，PNS-CS/Mg-PVP MNs通過(guò)延長(cháng)PNS的釋放可促進(jìn)血管生成，其新生血管量（8.51%）為Control組（2.27%）的3.75倍。在炎癥程度上，PNS-CS/Mg-PVP MNs和CS/Mg-PVP MNs的治療均下調了創(chuàng )面組織炎癥因子IL-6和TNF- a 這歸因于它們釋放的Mg2?抑制炎癥因子分泌，降低創(chuàng )面炎癥反應。而兩組炎癥程度非常相似，說(shuō)明整個(gè)給藥系統中主要的炎癥調節因子是Mg2?。并且兩組釋放的Mg2?還可促進(jìn)巨噬細胞由M1型向M2型轉化，這降低了創(chuàng )面的促炎作用，使創(chuàng )面由最初的炎癥階段過(guò)渡到組織增殖重塑階段。

　　綜上所述，研究人員開(kāi)發(fā)了一種簡(jiǎn)便的雙層可分離式微針策略以實(shí)現細菌感染的慢性傷口的程序化治療，基底中包合的Mg可協(xié)同加速針尖分離，從而通過(guò)一次性插入實(shí)現在編程時(shí)間點(diǎn)的多階段藥物釋放。并且微針可以殺菌，促進(jìn)慢性傷口的新生血管形成，同時(shí)調節巨噬細胞表型轉換以減少炎癥。這種雙層可分離式微針是一種創(chuàng )新的程序化療法，并顯示出改善皮膚傷口治療的巨大希望。