微针在经皮给药系统的应用研究

陈 磊，桂双英，2

（1.安徽中医药大学；2.安徽省中药制剂工程技术中心，安徽 合肥 230031）

微针在经皮给药系统的应用研究

陈 磊1，桂双英1，2

（1.安徽中医药大学；2.安徽省中药制剂工程技术中心，安徽 合肥 230031）

由于皮肤对药物的吸收有阻碍作用，以传统透皮方式给药难以达到治疗效果，经皮给药的关键在于如何突破皮肤的屏障作用。微针是一种结合皮下注射与经皮给药双重释药优点的新技术，微针可以在皮肤上产生供药物通过的孔道，可以显著提高药物的经皮吸收，特别是对于多肽、蛋白和疫苗等经皮渗透性显著提高。该文在对国内外相关文献报道的基础上，对微针的制备材料和制备方法、微针的分类及其在经皮给药系统中的应用进行综述。

微针；经皮给药；应用

随着医药技术的发展，人们已经创造出了多种给药技术，其中注射给药、口服给药和经皮给药等是医疗过程中最常用的给药方式。其中，口服给药中药物往往会被消化道内的消化酶破坏，加上肝脏的首过效应会使药物的吸收效率大为降低，影响疗效，且有可能引起胃肠道反应，尤其不适合一些生物活性和蛋白质类药物如疫苗、胰岛素等药物。注射给药技术虽然克服了上述缺点，但需将注射针头刺入皮肤深层，许多患者经历过针头的痛苦后，会进一步限制患者的依从性，特别是对于那些年幼患者和需要经常输药治疗的人群。

另外，由于普通针头尺寸较大，输药时会使皮肤产生较大创伤，处理不当可能引起皮肤感染等不良后果，血源性病原体的通过针的再利用传播也是一个主要问题，尤其是在发展中国家。经皮给药技术则可克服上述缺点，经皮给药系统（transdermal drug delivery system，TDDS）指经皮肤贴敷方式用药，药物由皮肤吸收进入全身血液循环并达到有效血药浓度、实现疾病治疗或预防的一类制剂［1］。这种输药方式具有无痛、使用方便，避免肝脏首过效应和胃肠道的副作用以及可实现长效给药等优点［2］，不过传统经皮给药受到皮肤的阻碍作用，特别是角质层的阻碍导致药物输药效率很低，某些大分子类的药物甚至完全无法经皮渗透以及过于缓慢的释放速度很难达到治疗的目的，为此人们采取了各种措施来破坏角质层以增强皮肤对药物的渗透性，如离子导入法、超声导入法、电致孔法以及微粉超音速喷射等方法，但是这些方法通常涉及使用先进的设备，是比较大型的，昂贵的，且需要经过专业培训才能使用。

这时有人提出，与其避免针头的使用，不如将针缩小到微米尺寸，在提高患者的依从性和安全性的同时，利用其强大的传递能力，于是诞生了微针技术。微针的长度在100～2 000 μm之间，其中载药微针所载药物种类广泛如多糖、蛋白质、肽类、DNA及各种小分子药物等，不同类型的微针的载药方式不同，故载药量也有所不同。与一些物理、化学促渗方法相比，微针透皮给药技术有无痛、微创、安全高效［3］、携带方便、患者可自行使用等优点。作为一个微米级的设备，微针应该足够大，以提供几乎任何药物或小颗粒制剂进入皮肤的通道；但同时又足够小，以避免疼痛、恐惧和需要专家培训给药的缺点。此外，微针传递还可以精确的组织定位，如在皮肤，眼脉络膜上腔和细胞核等部位。

本文对微针的制备方法、微针的应用分类及其在经皮给药系统的应用情况进行了分析，并对微针今后的研究方向及其在制作及使用过程中需要亟待解决和关注问题进行了分析和展望。

1 微针的制备材料和工艺

1.1 微针的制作材料 微针的基质材料主要有金属、硅及二氧化硅、聚合物等［4］。以上述材料制备的微针，在性能上各有优劣。其中硅微针的制作工艺相对较为成熟，应用广泛，但与人体的生物相容性差、价格昂贵、质地较脆、工艺复杂；金属材料机械强度好，但存在生物相容性一般，工艺复杂，加工成本高等缺点；硅微针和金属微针在刺入皮肤及从皮肤上剥离时自身有发生断裂的可能，一旦断裂在皮肤中，很难清除，断裂的微针长期停留在皮肤内很难预计不会造成任何不良影响；聚合物材料机械强度好，制备工艺简单，且可在体内可降解，加上新的高分子材料的层出不穷，相信未来聚合物微针将会成为研究的热点。

1.2 微针的制作工艺 目前硅微针制备工艺较为成熟，已有多种方法可以制备硅微针，其中电化学刻蚀技术较其他方法在制备硅及二氧化硅微针时更为常见。Henry等［5］采用反应离子刻蚀技术（Reactive ion etching technique））制备长度为150 μm的硅实心微针，并首次将此微针用于经皮给药系统。金属微针已被用激光切割［6］、湿蚀刻［7］以及金属电镀［8］等方法制备。Gill等［9］用激光切割不锈钢片，再将切割成形的金属薄片翻转 90°，使之垂直于不锈钢薄片底座，从而形成二维微针阵列。并将不同分子质量的药物包裹在微针阵列上后刺入皮肤，结果各药物不仅有较大的渗透速率，并且能显著提高经皮吸收量。

聚合物微针尤其是生物可降解聚合物微针引起了人们越来越多的注意。Park等［10］首次利用聚乳酸（PLA）、聚羟基乙酸（PGA）及其聚合物（PLGA）制备聚合物微针。实验将一种新型的透镜技术、反应离子刻蚀技术及紫外平版印刷术相结合制备出了斜尖针尖、凿尖针尖、锥尖针尖三种不同形状的微针。目前使用浇铸法制备聚合物微针越来越受到大家的关注。

随着先进的科学技术的发展，相信以后会有更多简单易行的微针制备方法出现。

2 微针的类型及给药方式

在一般情况下，将微针分为实心微针与空心微针。实心微针按给药方式不同又可归类为对组织预处理微针，药物涂层微针，溶解微针。

2.1 实心微针

2.1.1 对组织预处理微针 实心微针与空心微针都可以用来作为皮肤的预处理，但文献报道中以实心微针为主。微针插入和移除后在皮肤表面形成微米级的的孔隙，孔隙可以便于药物制剂通过，从而在皮肤的局部作用或经过皮肤的毛细血管吸收而起到全身作用。微针预处理皮肤后，药物可以施加到皮肤表面的孔上，如使用传统的经皮给药中最常用的载药的贴片，或使用其他通常用于皮肤治疗的半固体外用制剂，如软膏，乳膏，凝胶或乳液等。

2.1.2 药物涂层微针 涂层微针通常是通过在微针表面上涂布水溶性的药物来制备。药物涂层微针插入到皮肤后，药物涂层从微针上溶解脱落，并进入皮肤，从而发挥药效，使用后移除该微针即可。微针已被用各种方式处理涂覆药物，其中大部分都涉及在微针上浸渍或喷涂水溶性的药物，在配制涂层过程中往往会增加其黏度，以使微针在干燥过程中留住更多的药物；在某些情况下还会加入稳定剂，以保护药物在干燥和贮存过程中免受损害。

2.1.3 溶解微针 另外，微针可以完全使用水溶性的或可生物降解的聚合物制备，并将药物封装在微针阵列内部。以这种方式制得的微针还具有一定的缓释效果，溶解微针可在皮肤内完全溶解或降解，从而释放微针内部包封的负载药物，且不会留下尖锐废弃物，如麦芽糖微针会在插入皮肤后溶解，不会在体内残留。

2.2 空心微针 空心微针既能如注射针头一般输送液体制剂进入到皮肤内，也可像实心微针一样用于预处理皮肤，但以输送各种液体制剂为主。使用中空的空心微针输送液体制剂进入皮肤一般分为两种方式：一种是使用单一中空微针，它类似于传统的皮下注射针头，其最大的优势是无痛，病人顺应性较好；另一种是使用一组空心微针阵列，这一类型的中空微针可使液体制剂一次性到达更广阔的区域，在某些情况下，比皮下注射起效更迅速，具有较高的生物利用度［11］。

3 微针经皮给药的应用

由于微针突破了经皮给药系统的最大吸收屏障角质层，极大的减少了皮肤对药物传输的限制，且避免了患者注射的痛苦，方便给药，因此在医药领域具有广泛的应用。国内外对于微针经皮给药应用的研究较多，体内研究与体外研究均有报道。

3.1 体外研究 目前国内外已有大量关于各种类型微针体外促渗报道，主要都是集中在微针对皮肤角质层破坏及体外促渗作用方面。

Henry等［5］取人尸体表皮建立透皮释药模型，进行离体实验，以测定微针刺穿表皮后的透皮释药速率。将微针刺入皮肤并将微针保留在皮肤上，结果模型药物钙黄绿素的经皮透过性与没有经过微针处理的完整皮肤相比提高了一千倍，将微针刺入皮肤10 s后移除，药物透过性提高了一万倍。

Park等［12］以聚乳酸、聚乙醇酸及其共聚物为基质，制备出可降解微针。在微针内部分别封装模型药物钙黄绿素和荧光标记的牛血清蛋白，随后将载有钙黄绿素的微针和载有牛血清蛋白的微针分别扎入皮肤进行体外透皮实验，结果显示钙黄绿素在4 h透过率达到95%，光标记的牛血清蛋白在120 h透过率达到80%，说明聚合物微针能显著提高药物透皮效果。

Ito等［13］以糊精为基质材料制备微针，并在其中加入人胰岛素，制备聚合物微针。体外释放实验结果表明，几乎全部的胰岛素在1 h内释放，释放一半量的时间为（15.4±1.1）min。此外分别在40℃、20℃、-80℃的温度下进行载药微针的稳定性实验，在3个条件下储存1个月后，胰岛素的含量分别为99.0%、98.9% 、98.2%，说明胰岛素在此基质中能够较稳定地保存。

Lee［14］等使用生物相容性良好的羧甲基纤维素或支链淀粉制作微针，在微针制作过程中将罗丹明B、牛血清白蛋白、溶菌酶封装在微针内，溶菌酶封装后保留完整的酶的活性，并存储在室温下2个月后保持96%的活性。微针也被证明机械强度足以插入到尸体皮肤，在几分钟之内溶解。

Kochhar等［15］制备出载罗丹明 B微针。实验将聚乙二醇二丙烯酸酯、六甲基磷酰三胺、丙基三甲氧基硅烷作为微针的基质材料，利用紫外固化技术制备出了含50 μg罗丹明B的微针，并以相同浓度的罗丹明 B丙二醇溶液作为对照组，利用扩散池进行了鼠皮的体外渗透试验。以罗丹明B的荧光强度为检测指标，使用酶标仪进行检测。结果微针组与罗丹明B丙二醇溶液组相比，渗透量增加了3.89倍；微针的稳态通量为（0.299±0.1）μg·cm-2·h-1，丙二醇组为（0.067±0.01）μg·cm-2·h-1，前者比后者增加了4.35倍，说明微针增加了皮肤对罗丹明B的渗透能力。

3.2 体内研究 人们在大量体外实验的基础上又开展了体内给药研究，取得了一些显著成果，从而为今后的微针在体内研究提供了理论依据。

Matriano等［16］把卵白蛋白作为一种模型蛋白抗原涂布在微针表面的来研究其透皮性能。将卵白蛋白抗原涂布到微针上并干燥制作涂层微针，并制备出了不同抗原浓度和不同针尖数量的一系列制剂，以无毛豚鼠为模型动物进行实验，使用高速推进器将微针刺入动物皮肤。结果发现抗原很快从微针表面释放，在几秒内释放量高达 20 μg。微针给药和皮内注射相比，两者具有相似的抗体反应，但微针给药的抗体反应高50倍。

Martanto等［17］研究了微针对糖尿病无毛鼠的治疗作用。用实心微针对其处理过后进行胰岛素传送，微针刺入皮肤后保留一段时间，随后移除，再将胰岛素溶液置于皮肤上 4 h，并实时检测血糖水平，结果血糖在此时间段内下降了 60%，随后达到80%，而未用微针处理的大鼠血糖没有显著下降。Mc Allister等［18］对糖尿病大鼠皮肤使用单根玻璃微针进行了胰岛素微注，时长30 min，结果大鼠血糖在5 h内下降了70%。

近期又有学者对微针的经皮免疫进行了研究［19-20］，如 Quan等［21］制 备 了 载 有 流 感 疫 苗 的 微针，并在微针涂布液中加入海藻糖以保持流感疫苗在微针制备过程的稳定性。实验比较疫苗涂层微针与传统肌肉疫苗注射的效果，以免疫球蛋白 G为检测指标，结果微针接种效果比肌肉注射好，因为微针接种单个流感疫苗能在控制病毒复制的同时快速诱导免疫应答。

Hiraishia等［22］使用豚鼠为实验动物，考察了微针对卡介苗的接种效果。实验将豚鼠背部进行脱毛，然后将卡介苗涂层微针用手压入皮肤，并在皮肤内停留 10 min，作为卡介苗微针组；另一组皮下注射等量卡介苗作为皮下注射组；假手术组使用不含卡介苗的空白微针插入豚鼠背部皮肤；不做处理的豚鼠作为阴性对照研究。分别在接种后 3、6、12周对诱导细胞介导的免疫反应进行了评估，卡介苗微针接种和皮下注射接种豚鼠的肺和脾细胞中诱导的 IFN-γ水平都是随着时间的增加而增加，在12周时达到最高；且皮下注射接种与卡介苗微针接种所诱导的响应显著高于空白微针组与阴性对照组。

Baek等［23］将去甲肾上腺素制成微针贴片，并其对治疗大便失禁的作用进行了研究。去甲肾上腺素微针局部给药可在 1 h内显著增高静止肛门括约肌的压力，效果远优于未经微针预处理组。

在另一个单独的的研究中［24］，利多卡因使用中空微针注入到人类受试者的皮肤的中，并与常规的利多卡因的皮下注射相比较。虽然用两种方法由利多卡因传递引起的局部麻醉的时间是一样的，但报道指出与皮下注射相比使用微针产生疼痛明显减少，患者表现出强烈的偏好。

4 需要解决的问题和研究的重点

微针突破了药物透皮吸收最大的屏障—角质层，打开了供各种类型药物通过的孔道，能显著增强药物的经皮渗透性尤其是大分子药物。由于微针针尖细且尖，刺入皮肤时，仅仅是刺穿角质层，不会到达神经分布丰富的皮肤深层组织，因此可很大程度地减轻患者给药时的痛苦，并将使用时皮肤的创伤减少到最小，且微针携带方便，患者不需要专业培训即可自行使用。然而，微针的发展依然存在一些亟待解决的问题，也是学者们今后研究的重点，主要有以下几点。

（1）微针的插入：不同人种、不同职业的人皮肤厚度不同；人体不同部位的皮肤厚度也有较大差别，如何使微针更好地突破皮肤黏弹性等的限制，并在插入皮肤给药过程中不会折断，这些都需要在微针插入机理和增强皮肤通透性上作进一步研究，如针体长度、针头形状、针壁厚度、插入速度、刺入深度等的影响，并要结合微针制作材料及微针的给药方式，得到合适的参数。（2）微针的载药：如何使微针负载更多的药物，如何确保载有药物的微针在插入皮肤时不会被皮肤蹭掉及在微针制备过程中如何保持药物的稳定性，还都需要学者们做进一步的研究。（3）微针的保留时间：利用微针插入皮肤进行透皮给药后，是否应将其继续保留在皮肤中，如果需留下怎样确定保留时间，而且如何在不影响日常活动的条件下将其保留在皮肤中，都是后期研究的重点。（4）另外，不能体内降解的微针在刺入和剥离皮肤的过程中，如果发生断裂，那断裂在皮肤中的微针该如何处理，这些都是实际应用中必须解决的问题，这些都要根据微针类型及给药的不同进行具体分析。

5 讨论

作为一种新的给药方式，使用微针透皮给药避免了注射给药和透皮给药的缺点，并集合了两个传统给药方式的优点如：给药准确、快速、高效、方便、无痛等。随着微针制备工艺的不断完善和新材料的不断涌现，微针透皮给药系统将在人类疾病治疗和预防中发挥重要的作用，给患者带来福音；目前，已有微针经皮给药的研究成果走入市场，我们期待以后更多适合经皮给药的微针新品种将会被开发，使得微针的潜力得到更大的发挥。

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Application of microneedles in transdermal drug delivery

CHEN Lei1，GUI Shuang-ying1，2
（1.Anhui University of Chinese Traditional Medicine；2.Engineering Technical Research Center of Chinese Traditional Medicine，Hefei，Anhui 230031，China）

As the traditional transdermal drug delivery had been severely limited by the skin barrier，breaking through the barrier function of the skin was considered as the key point of transdermal drug delivery.Microneedle is a new technology that combines advantages of hypodermic and transdermal drug delivery.Pathways allowing transport of medicine can be created on the skins by microneedles.Microneedles could improve percutaneous absorption of drugs，especially for polypeptide，albumen and vaccine.On the basis of the concerning reports，the material，preparation，classification and application in the transdermal drug delivery system of microneedle were chosen to review in this paper.

microneedle；transdermal drug delivery；application

10.3969／j.issn.1009-6469.2014.03.002

2013-09-06，

2013-10-25）

国家自然基金项目（No 81274099）；安徽省自然基金（No 11040606M219）；安徽省高校省级自然科学研究基金重点项目（No KJ2011A194）

陈 磊，男，硕士研究生

桂双英，女，教授，硕士生导师，研究方向：中药新制剂与新技术研究，E-mail：guishy0520＠126.com