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强韧超分子微针贴片:超快溶解与快速起效能力

期刊:Advanced MaterialsDOI:10.1002/adma.202207832

本文介绍了一项由华中科技大学化学与化工学院、同济医学院附属协和医院皮肤科的研究团队共同完成的研究,题为《Strong and Tough Supramolecular Microneedle Patches with Ultrafast Dissolution and Rapid-Onset Capabilities》。该研究发表在《Advanced Materials》期刊上,DOI为10.1002/adma.202207832。研究的主要作者包括Hua Wang、Yangxue Fu、Jinzhu Mao、Hao Jiang、Shuo Du、Pei Liu、Juan Tao、Lianbin Zhang和Jintao Zhu。

研究背景

随着人们对健康和高质量生活的需求不断增加,简单、低侵入性且有效的药物递送平台变得越来越重要。溶解微针(Dissolving Microneedle, DMN)贴片因其能够突破皮肤角质层屏障,以高效、简单且微创的方式递送药物而备受关注。传统的DMN贴片通常由非晶态、水溶性高分子聚合物制成,以确保足够的机械强度穿透皮肤。然而,这些聚合物基DMN贴片存在三个主要局限性:1)高粘度溶液导致加工复杂;2)溶解和扩散速度慢,延长了贴片佩戴时间和药物起效时间;3)无法有效封装疏水性药物。

为了解决这些问题,研究团队首次开发了基于超分子材料的水溶性环糊精(Cyclodextrin, CD)衍生物DMN贴片。通过多重超分子相互作用,CD DMN贴片展现出优异的机械强度和韧性,远超现有的聚合物基DMN贴片。此外,CD DMN贴片能够在皮肤模型中快速溶解(<30秒),并迅速将药物递送至皮肤深层。

研究流程

研究分为以下几个主要步骤:

  1. 材料设计与制备:研究团队选择了八种常用的高水溶性CD衍生物作为DMN基质材料。这些CD衍生物的水溶液粘度较低(0.096–0.202 Pa·s),而传统聚合物基DMN基质溶液的粘度较高(0.168–1.63 Pa·s)。通过动态激光散射(DLS)实验,研究团队发现这些CD衍生物溶液中形成了纳米级的超分子聚集体,这些聚集体可以作为链缠结和交联点,赋予CD DMN贴片优异的机械性能。

  2. DMN贴片的制备:研究团队采用低真空辅助成型法制备CD DMN贴片。具体步骤包括将低粘度的CD溶液注入PDMS模具中,经过轻微真空处理后干燥脱模,最终得到结构完整的DMN贴片。以磺丁基醚-β-环糊精(Sulfobutylether-β-CD, SCD)为例,制备的SCD DMN贴片高度为796.3 μm,针尖间距为729.6 μm,基底宽度为342.6 μm。

  3. 机械性能与皮肤穿透能力测试:通过纳米压痕实验,研究团队评估了不同CD衍生物制备的DMN贴片的机械性能。结果显示,SCD DMN贴片的有效杨氏模量(Young’s Modulus)高达552.3 MPa,远高于穿透皮肤角质层所需的35.0 MPa。此外,SCD DMN贴片在小鼠和猪皮肤模型中的穿透实验表明,其能够有效穿透皮肤并形成完整的微孔阵列,穿透深度约为200 μm。

  4. 溶解与扩散行为研究:研究团队使用明胶皮肤模型研究了SCD DMN贴片的溶解行为。结果显示,SCD DMN贴片在30秒内几乎完全溶解,溶解速度显著快于传统聚合物基DMN贴片。此外,通过荧光标记实验,研究团队发现SCD DMN贴片能够迅速将负载的药物(如罗丹明B)递送至皮肤深层,扩散深度超过200 μm。

  5. 药物递送能力验证:研究团队验证了SCD DMN贴片对亲水性和疏水性药物的递送能力。以亲水性药物盐酸多柔比星(Doxorubicin Hydrochloride, Dox·HCl)和疏水性药物布洛芬(Ibuprofen, IBF)为模型药物,研究团队成功将这两种药物封装在SCD DMN贴片中,并通过体外和体内实验验证了其快速起效的能力。特别是在小鼠急性炎症模型中,IBF负载的SCD DMN贴片在15分钟内显示出显著的抗炎效果,30分钟内达到最大效果。

主要结果

  1. 机械性能:SCD DMN贴片展现出优异的机械强度和韧性,有效杨氏模量高达552.3 MPa,远超传统聚合物基DMN贴片。
  2. 溶解与扩散:SCD DMN贴片在30秒内几乎完全溶解,并能够迅速将药物递送至皮肤深层,扩散深度超过200 μm。
  3. 药物递送:SCD DMN贴片能够同时封装亲水性和疏水性药物,并在小鼠急性炎症模型中显示出快速起效的抗炎效果。

结论

该研究首次开发了基于超分子材料的CD DMN贴片,通过多重超分子相互作用赋予其优异的机械性能和快速溶解能力。SCD DMN贴片不仅能够快速递送药物,还能够封装广泛的亲水性和疏水性药物,展现出在药物递送领域的巨大应用潜力。

研究亮点

  1. 创新性材料设计:首次将超分子材料应用于DMN贴片的制备,通过多重超分子相互作用赋予贴片优异的机械性能。
  2. 快速溶解与药物递送:SCD DMN贴片能够在30秒内完全溶解,并迅速将药物递送至皮肤深层,显著缩短了药物起效时间。
  3. 广泛的药物封装能力:SCD DMN贴片能够同时封装亲水性和疏水性药物,扩展了DMN贴片的应用范围。

研究意义

该研究为超分子材料在生物医学领域的应用开辟了新的途径,展示了其在药物递送系统中的巨大潜力。通过合理设计超分子相互作用,研究团队成功开发出具有优异机械性能和快速药物递送能力的DMN贴片,为未来的药物递送平台提供了新的思路。

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