分层可溶性利多卡因聚合物微针的制备与穿刺效果研究

张嘉荣,庄 俭,吴大鸣,许 红,郜王鑫,孙靖尧

(北京化工大学机电工程学院，北京 100029)

0 前言

微针作为一种新型的经皮给药技术，具有高效、无痛、安全等特点[1]，能打破角质层对药物的阻滞作用，提高递送效率，可用于麻醉、胰岛素等药物的递送[2]。目前，麻醉方式主要是通过注射或在表皮涂覆的方式实现给药，表皮涂覆的主要缺点主要是起效慢[3]，而注射给麻醉药的主要缺点是患者依从性差，特别是在浸润麻醉中[4-5]。微针给麻醉药时则不存在以上缺点，微针既可以穿过表皮层使得脂溶性麻醉药起效快，又可以保证不会触及血管，以免引起麻醉药的毒性反应，患者依从性好，而且微针在使用上不需要人专操作，使用过程简单，保存条件也不苛刻。因此，微针在表面麻醉和浸润麻醉上有着巨大的优势以及市场的前景[6-9]。

与可溶性微针比较，不可溶微针通常生物相容性较差，且载药量有限[10]。若为空心微针，则制造工艺较复杂，制造难度较大、针体强度较小[11-13]。因此制作可溶性微针给药是较好的选择。但目前麻醉微针的制备还存在工艺不稳定、周期长、针体强度差等问题[14-15]。

本文选择盐酸利多卡因以及利多卡因作为小分子模型药物，以PVP、PVA、HA材料为基础制备高生物相容性的可溶性麻醉微针阵列，探究了两种微针制备方法控制药物分布的效果，使用显微镜观测微针成型率以及成型效果并且对制备的可溶性麻醉微针进行了皮肤刺穿实验，对穿刺结果进行了表征。

1 实验部分

1.1 主要原料

PVA，Mowiol®PVA-203，Mw≈31,000，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

HA，Mw≈350KDa，北京伊诺凯科技有限公司；

利多卡因，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

无水乙醇，上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

PVP，平均分子量58000，K29-32,上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

次甲基蓝，上海上海阿拉丁生化科技股份有限公司；

4周龄ICR小鼠的腹部皮肤5 cm2，北大医学部。

1.2 主要设备及仪器

真空干燥箱,DZF-6065，巩义市予华仪器有限责任公司；

鼓风干燥箱，101-0B，浙江力辰仪器科技有限公司；

光学显微镜,JTVMS-1510T,东莞市捷腾电子有限公司；

扫描电子显微镜(SEM)，S-4700，株式会社日立制作所。

1.3 样品制备

1.3.1分步浇铸微针制备法

图1 微针模具结构图Fig.1 Structure of microneedle mold

可溶性微针由针体以及将微针连接为整体的基底部分两部分构成。微针制备实验中采用厚度为1.2 mm、直径为100 mm的PDMS圆片模具，如图1所示。微针形状为四棱锥，微针间距为1 mm，微针设计高度是500 μm。

为了保证微针的强度，在第一步浇铸中首先配置出10 %PVA(质量分数，下同)水溶液、5 %HA水溶液、10 %利多卡因乙醇溶液以及5 %PVP乙醇溶液，其中在利多卡因溶液中加入次甲基蓝染色。然后，将HA溶液、PVA溶液、利多卡因溶液以及PVP溶液按照1∶1∶4∶1体积比混合。使用滴管在PDMS模具表面铺上1 mm厚度的溶液层，再将模具置于真空烘箱中室温抽真空5 min，随后取出模具在30 ℃温度下鼓风干燥1 h。第二步浇铸加入5 %HA高黏度水溶液并置于鼓风干燥箱中65 ℃干燥6 h取出，即可得到分分部浇铸微针阵列，微针阵列成型率为100 %，测量其基底高度为0.8 mm。利多卡因分布微针针体中，实现药物精确控制和节约，可针对不同皮肤部位，实施定量麻醉给药。

1.3.2浇铸黏合微针制备法

由于分步浇铸法中微针基底干燥时间过长，因此尝试把基底单独干燥。利用PVA与其他材料黏接性好的特点，将干燥后的针体部分和基底黏合在一起，成功地缩短了干燥成型周期。

首先，配置出10 %PVA水溶液、5 %HA水溶液、10 %利多卡因乙醇溶液以及5 %PVP乙醇溶液。为了观测药物在微针中的分布，加入次甲基蓝对利多卡因溶液染色后将HA溶液、PVA溶液、利多卡因溶液以及PVP溶液按照1∶1∶4∶1体积比混合配成微针溶液。然后，使用滴管取液在PDMS模具上铺一层约1 mm厚度微针溶液层，将模具置入鼓风干燥箱中30 ℃鼓风干燥1 h，获得微针阵列针体结构。然后，将5 %HA和10 %PVA溶液按照2∶1体积比混合得到基底溶液，然后倒入方形平底模具中，液面高度为8 mm，70 ℃下鼓风干燥5 h，获得高度为1 mm的HA/PVA薄片。最后，在PDMS模具中干燥成型后的微针阵列上涂抹约0.5 mm厚的PVA黏合剂溶液，将HA/PVA片放入黏合剂溶液层上，施加约0.5 MPa压力，60 ℃干燥3 h取出，即可得到浇铸黏合微针阵列。

1.4 性能测试与结构表征

SEM分析：将微针贴片试样裁剪成3 mm×1 mm小片，分别在观测台的上面和侧面各贴一片，然后喷金处理，进行SEM观测;

光学显微镜观测：将微针贴片裁剪成3 cm×3 cm小片，使用夹具夹住微针贴片，调整照明光强，显微镜放大40倍观测并测量微针高度。

2 结果与讨论

2.1 药物在基底材料中的扩散分析

基质材料PVA加水后成水凝胶状态，其水分为3种状态：自由水、可冻结结合水以及不可冻结结合水[16-19]。不可冻结结合水与聚合物中的亲水分子(羟基)中的氢键紧密结合，几乎不可流动，可冻结结合水与聚合物的距离比不可冻结结合水远，其性质介于不可冻结结合水和自由水之间，自由水与聚合物距离最远，可自由流动，扩散于水凝胶内部空间。针体中溶于水的次甲基蓝染色利多卡因在遇到黏合剂溶液后会继续扩散到PVA中，由同时由于针体中PVA遇到黏合剂溶液后也会有部分溶解，释放出自由水，这也会导致微量染色利多卡因扩散。但仅是针体根部微量染色利多卡因扩散到基底材料中，几乎不影响微针针体中利多卡因的载药量。

2.2 微针的外观形态

制备的微针阵列基底为边长2 cm的正方形贴片，每片微针阵列上含有 360根针，其局部电镜照片如图2所示。四棱锥型微针针体部分成型良好，成型率达到 100 %，微针平均高度约为450 μm。

(a)局部放大150倍 (b)俯视图图2 微针阵列Fig.2 Microneedle array

(a)单个微针 (b)微针阵列图3 染色的微针阵列Fig.3 Dyed single microneedle

利用光学显微镜观测分层微针，如图3所示。微针针体部分呈现深蓝色，说明绝大部分被甲基蓝染色过的利多卡因集中在微针针体上，基底呈现出微微蓝色，这是因为次甲基蓝是水溶性的并且二次干燥后涂覆了PVA水溶液，导致次甲基蓝有微量扩散到涂覆的溶液里，最终成型后留在基底上。

从以上结果可以对比分布浇铸法和浇铸黏合法成型的微针，比较结果见表1。两种微针制备方法成型率和微针高度相同。但浇铸黏合法相比较分步浇铸成型法药物扩散少，可以使得药物更好地集中在微针针体上，且浇铸黏合法可以控制基底高度，实现柔性基底，并且缩短微针制造周期至4 h。

表1 两种制备微针方法效果比较

2.3 穿刺实验与结果

由于浇铸黏合法制造的微针针体含药量高、周期短，因此在测试微针强度以及透皮给药效果的穿刺试验中选择浇铸黏合法制造的微针阵列。利用含有利多卡因的5 mm×5 mm大小的微针贴片，穿刺4周龄小鼠腹部皮肤，拇指持续按压5 min，取出微针。为了增强微针穿刺通道的显示效果，在穿刺实验前在微针针体外侧再浸渍一层高浓度次甲基蓝溶液，然后立即进行小鼠皮肤穿刺动作，微针穿刺结束后局部放大如图4所示。小鼠皮肤上留下了微针阵列刺出的深蓝色微通道，这也说明微针强度足够刺穿皮肤，穿刺后的微针如图5所示，微针约90 %以上已经完全溶解。

图4 皮肤穿刺后局部放大图Fig.4 Partial enlargement of punctured skin

图5 穿刺后溶解的微针阵列Fig.5 Dissolved microneedle array after puncture

2.4 穿刺结果分析

使用微针穿刺结束后，小鼠皮肤放入组织固定液中固定保存24 h，然后进行冷冻切片观察，切片效果如图6所示，微针在皮肤上打开了一个约250 μm深度的通道。由于皮肤具有弹性，微针刺入过程皮肤压缩，因此微通道高度小于微针针体高度。

图6 微针穿刺冷冻切片显微镜结果Fig.6 Microscopic results of frozen sections ofmicroneedle punctured skin

皮肤外层深色为角质层，下面箭头标注的浅色为表皮层主要部分，再往下白色部分为真皮层。微针高度使得微针刚好到达真皮层，刺穿了表皮层。微针刺穿表皮层后形成微通道，缩短了药物有效作用位置，使得利多卡因可以直接影响到真皮层的神经细胞，加速了利多卡因的起效速度。由于微针阵列尚未到达真皮层中的神经分布位置，即可实现无痛穿刺。

3 结论

(1)使用分层浇铸法制备出微针针体含有利多卡因的分层微针，微针成型率为100 %实现可以精确控制载药量、节约药物，防止利多卡因过量引起毒性作用；

(2)相比较分步浇铸成型法，浇铸黏合法成型的微针阵列，成型率仍保持100 %，尤为突出的是加工周期缩短了一半以上；由于微针阵列基底单独成型，且制备工艺相对简单，因此浇铸黏合法适合微针阵列的大批量成型；

(3)在小鼠腹部皮肤穿刺实验中，90 %以上的微针针体能够5 min内迅速溶解，冷冻切片显微镜观察显示出制备的可溶性利多卡因微针具有良好的穿刺效果，微针针体恰好到达真皮层并且在皮肤上打开一个约250 μm的通道，达到良好的透皮效果。