微针在皮下注射中的应用

微针在皮下注射中的应用

皮外给药系统是一种新的药物输送方式。自第一个透皮贴剂——东莨菪碱贴剂问世以来,经皮给药制剂凭借其独特的优势(如可避免口服给药导致的肝脏首过效应及胃肠灭活,避免注射给药带来的疼痛等)很快地发展起来。然而皮肤角质层是药物经皮吸收的最大屏障,它的存在使大多数药物不能很好地透过皮肤达到有效的治疗浓度,为了解决这一问题,人们采用了多种物理、化学方法以促进药物的经皮吸收。可是,化学促渗剂虽能提高小分子药物的渗透速率,但对大分子药物的经皮吸收却无显著作用,且通常对皮肤具有刺激性。物理方法如离子导入、超声导入、电致孔及热穿孔等,虽能促进大分子药物(如胰岛素、干扰素等)的经皮吸收,但可能导致皮肤的损害,且用药者无法自行独立使用。微针也属于物理促渗技术,通过对皮肤进行无痛致孔处理,大大提高大分子药物的经皮吸收量,它对皮肤几乎没有损害,且使用方便,所以在经皮给药领域受到了广泛的关注。本文在微针的材料、制造方法、作用机制及其在经皮给药系统的应用等方面进行介绍。1微针的皮肤治疗皮肤由外至内分为三层:角质层、表皮层及真皮层。角质层厚约10～20μm,是一层死组织,没有血管和神经,但却是药物经皮吸收的控释层;表皮层位于外皮下约50～100μm处,含有少量活细胞及神经,不含血管;更深处的真皮中含有大量的活细胞、神经及血管。微针是由微细加工技术制成的不同形状、结构及材料的微米级的针,通过在皮肤角质层产生微小孔道来提高药物的渗透性,这是介于皮下注射和透皮贴剂之间的一种给药方式。设计者对微针的最初设想是其能刺入皮肤20μm处,不触及神经组织,以此避免产生疼痛,然而目前研制的微针,长度在几百微米到几毫米之间,均已到达表皮层甚至真皮层,但文献报道仍为无痛,其原因可能是如此小体积的微针碰到神经的几率低,使得微针产生的疼痛感比皮下注射或日常生活中发生的皮肤磨损产生的疼痛感更轻。2针型制造微针的材料主要有金属、硅、二氧化硅及可生物降解的聚合物等。不同材料的微针具有不同的特性和用途。2.1微针阵列的制备不锈钢、钛及镍是制造金属微针常用的材料,采用激光切割、电镀或超精密机械加工等方法可制备出各种实用的金属微针。Gill等将不锈钢金属薄片用激光切割成二维微针阵列,再将微针翻转90°,使之垂直于不锈钢薄片形成微针阵列。用清洁剂对微针阵列进行表面脱脂及去氧化处理,再用电解法进行抛光处理,制得表面光滑、针尖尖锐(直径0.5～1μm)的微针阵列。实验表明,在微针阵列上包裹不同分子质量的药物后刺入皮肤,均能显著提高药物的经皮吸收量。药物能在10秒内快速释放,并有较大的渗透速率。在聚合物或硅微型模具上完全或部分电镀金属也可制备金属微针。在中空微针模具上与微针顶端相邻的外表面涂上一层掩膜避免电镀,用Ni或NiFe电镀槽沉积一定厚度的金属层,形成中空微针。持续电镀直至模具填满可制得实心微针。Verbann等用市售的30G(外径约为300μm)皮下注射针头制备微针阵列。具体方法为:将注射针头插入具有4×4小孔(斜度为1.25mm)的模板的小孔内,从模板背面切割掉多余长度的针头,用粘合剂固定,得到不同长度(300、550、700、900μm)的微针阵列。给药时,先用约50N的压力将微针刺入人体皮肤(厚度为300～400μm),1分钟后取出,再将药物敷贴在皮肤上。该研究者在分别选用荧光染料瀑布蓝[Cascadeblue,相对分子质量(Mw)为538]、右旋糖酐-瀑布蓝(Dextran-CascadeBlue,Mw为10000)、荧光异硫氰酸盐-右旋糖酐(FluoresceinisothiocyanatecoupledDextran,Mw:72000)进行的实验中发现,当三种物质直接接触人体皮肤时,几乎均不能透皮吸收;使用长度为300μm的微针阵列亦不能改善三种物质的透皮速率;而长度为550、700、900μm的微针阵列能使三种物质的透皮速率均有大幅增加。且只要微针长度足以刺入皮肤,微针长度的改变对于这三种物质的渗透速率没有显著的影响。金属微针造价低廉、工艺简单,适合批量化生产,且针尖尖锐,硬度较大,易于刺穿皮肤而不易断裂在皮肤中,是制造微针的良好材料。2.2微针固定药物硅及二氧化硅材料是制造微针的常用材料,具有良好的传感性能和机电性能,对其的微加工工艺也已成熟。电化学刻蚀技术是最为常见的制备硅及二氧化硅微针的技术。Henry等采用反应离子刻蚀技术(Reactiveionetchingtechnique))制备长度为150μm的硅实心微针,并首次将此微针用于经皮给药系统。该研究者选用钙黄绿素作为实验药物,结果发现,微针刺入并滞留于皮肤中时,钙黄绿素的经皮渗透速率比未用微针处理时增加了1000倍;若将微针刺入皮肤10秒钟后移除,该药的渗透速率可增加10000倍。微针移除后的药物渗透速率显著高于微针停留在皮肤时的渗透速率,原因可能是随着微针拔出皮肤,会在皮肤上产生孔道,有利于药物透过皮肤。Wilke等用KOH湿刻蚀技术(wetetchingtechnology)在标准硅晶片上制造微针阵列,微针长度10～300μm。这种刻蚀技术可制得长度更加精确(微针长度的标准偏差小于5μm)、重复性更好的微针。目前研究者们正在尝试将这种微针与电致孔技术联合应用,以微针作为电极,用于某些癌症(如食道癌)的经皮给药治疗。Rajaraman等利用交联多孔硅技术(Coherentporoussilicontechnology,CPS)开创了一种新型的微针制造方法。这种技术以多孔硅交联刻蚀为基础,通过热氧化及反应离子刻蚀技术,制备不同斜度和直径的空心二氧化硅微针阵列,微针长度由硅晶片厚度和刻蚀时间决定。CPS技术大大降低了批量生产的成本,且生产出的二氧化硅微针具有生物相容性。此外,Rodriguez等选用大孔n-型硅晶片,通过反复电化学刻蚀、氧化、去氧化,制得长度为30～140μm、壁厚为70～110nm的二氧化硅空心微针。总的来说,硅及二氧化硅微针加工工艺较成熟,易于大批量生产,但比金属微针的加工成本高,且易断裂滞留于皮肤,这是制约其发展的因素。2.3经皮吸收增加为了增加微针的安全性,可生物降解的聚合物微针成为微针发展的另一个方向。Park等首次利用聚乳酸(PLA)、聚羟基乙酸(PGA)及其聚合物(PLGA)制备聚合物微针,并将紫外平版印刷术、反应离子刻蚀技术及一种新型的透镜技术用于制备三种不同形状的微针:斜尖微针(Beveled-tip)、凿尖微针(Chisel-tip)、锥尖微针(Tapered-tip)。微针的直径、针尖形状及针间距可由平版印刷掩模的形状和大小来调节,微针长度通过反应离子刻蚀的参数调节。不同形状的针尖有利于降低微针刺入皮肤的阻力。用钙黄绿素和牛血清白蛋白进行的经皮给药实验表明,与未用微针阵列处理的完好皮肤相比较,经20针微针阵列刺入并移除后,两种药物的经皮吸收量增加了100倍;经100针微针阵列刺入并移除后,两种药物的吸收量增加了1000倍。说明此聚合物微针能显著增加药物的经皮吸收。聚合物微针具有很好的生物相容性且可生物降解,成本较低,加上新高分子材料的层出不穷,聚合物微针将会具有很好的研究和应用前景。但是与金属微针和硅微针相比,这种微针的强度较差,在材料的选择及加工工艺方面均有待提高。3微针给药方式微针有实心针和空心针两种类型,实心微针是通过药物附着在微针表面达到输送药物的目的,空心微针是采用微注射的形式输送药物。目前研究的微针给药方式有如下4种:(1)先将微针阵列刺入皮肤形成孔洞,再将含药贴剂敷在治疗部位上,这种给药方式使用实心和空心微针均可;(2)在实心微针表面包裹药物后,将微针刺入皮肤持续释药;(3)将药物包囊于可生物降解的聚合物微针中,再将微针刺入皮肤释放药物;(4)通过空心微针采用微注射的形式给药。由于在微针制造方面,实心微针比空心微针更容易,故前两种给药方式在微针的研究中更加普遍。3.1微针刺多次给药对大鼠血糖的影响贴针是指将微针刺入皮肤角质层,产生微小孔洞后很快拔出,在有孔的皮肤上敷上含药贴剂进行药物输送的微针给药技术。经过贴针预处理的皮肤,药物的经皮吸收显著增加。贴针是最早应用的微针辅助的经皮给药方式。Martanto等用激光切割制成的金属微针进行胰岛素经皮给药的体内研究。其选用无毛糖尿病大鼠作为实验动物,将一定浓度的胰岛素溶液充入玻璃腔室中作为贴剂的药库,用氰基丙烯酸盐粘合剂将玻璃腔室粘贴在皮肤上以达到持续释药。微针分别在刺入皮肤10秒、10分钟或4小时后移去。在微针刺入的同时给予胰岛素,且微针移除后,继续敷上胰岛素药库达到持续给药。结果表明,这种给药方式可使大鼠的血糖水平快速稳定地降低。对药物浓度、微针刺入皮肤次数及微针停留在皮肤内的时间三个因素进行考察,结果发现,药物浓度越高、微针刺入皮肤次数越少、微针停留在皮肤内的时间越短,血糖水平降低越多。微针处理后胰岛素经皮给药与皮下注射0.05～0.5U胰岛素所降低的血糖水平相当,说明微针能显著提高胰岛素的经皮吸收。Wu等研究了在用微针刺入大鼠皮肤或在敷药前预先用砂纸摩擦大鼠皮肤或去皮肤角质的3种情况下,荧光异硫氰酸盐-右旋糖酐(FITC-Dex)的透皮速率。研究表明,这三种处理方法均能使FITC-Dex渗透速率提高,且在采用不同处理方法后,该药的透皮速率从高至低依次为去角质,砂纸摩擦,微针刺入。而乳酸脱氢酶活性表征测定结果表明,在渗透速率相同的情况下,微针刺入对皮肤的损伤远远小于砂纸摩擦和皮肤去角质。由此认为,微针是一种相对安全有效的经皮给药方式。3.2微针刺对皮肤的作用包衣微针是指在实心微针表面包裹一层药物,再将微针刺入皮肤使其持续释药的微针给药技术。药物的渗透速率与包衣的药物浓度直接相关。Harvinder等选用FDA批准的、可注射用的水溶性辅料配制包衣液,利用三种不同的微蘸设备分别对单个微针、平面微针阵列、三维微针阵列进行包衣,可在微针表面包裹上不同分子大小的药物。这种微蘸包衣方法有高度的均一性和可重复性,药物能在微针刺入皮肤数十秒内迅速释放,包衣药物分子质量范围分布很大,从小分子的维生素B到直径10μm的微粒均可被均一包裹,这使得蛋白质、DNA、疫苗等大分子药物的经皮吸收成为可能。Widera等在微针阵列表面包衣薄薄的一层卵白蛋白进行疫苗接种,并研究了微针长度、卵白蛋白的剂量、微针阵列的密度及皮肤的表面积对免疫反应的影响。结果发现,免疫反应随着卵白蛋白剂量增加而增强,其余几项指标对免疫反应无显著性影响。在可生物降解的微针上包衣一层药物进行给药,可使微针给药更加安全可靠。Ito等利用糊精能形成线状的特性,将胰岛素溶解于糊精、明胶的混合溶液中,再将含药混合液喷洒在聚丙烯针尖上,干燥,得到质量为(0.59±0.01)mg、长度为(3.24±0.16)mm的微针。用糖尿病小鼠进行的实验结果表明,胰岛素能很快从微针上释放,给药1小时后小鼠体内血糖达到最低水平。胰岛素的透皮速率具有明显的剂量依赖性,与微针数量无关。微针给予2.5IU/kg的胰岛素与静脉注射1.0IU/kg胰岛素后的降血糖水平基本一致。稳定性实验表明,含胰岛素的微针在一个月之内是稳定的。此项技术的最大优点是不需要任何特殊的加工设备,采用便宜易得的可生物降解材料制造微针,提高了对人体的安全性。3.3提高药物释放动力学将药物包裹在用可生物降解材料制成的微针中进行给药,是微针辅助的经皮给药的一种更安全的方式。Park等用可生物降解材料——乳酸羟乙酸共聚物(PLGA)制备可生物降解的聚合物微针,并将大分子药物钙黄绿素及牛血清白蛋白(BSA)包囊于聚合物微针中。实验表明,将钙黄绿素直接包裹于微针中,药物能以零级动力学快速释放,4小时内药物释放93%;而采用CMC及PLGA双层包裹后,钙黄绿素的释放呈缓慢稳定的一级动力学,4天后释药90%以上。而BSA由于分子质量较钙黄绿素大,直接包囊于PLGA聚合物微针中,也显示较缓慢的释放动力学,5天后释药80%。这种微针最大的优势在于选用的材料(如PLGA、CMC)可生物降解,控制释药更加安全,且大规模生产成本很低,每片贴剂的价格约0.1美元。但是这种聚合物包囊药物的微针也有一定的局限性:在包裹药物时需要升温,会使一些大分子药物(如BSA)不可逆地聚集成团或引起蛋白质的变性;另外在剂量方面,由于药物被包囊在微针中,空间极小,最大给药量一般不超过1mg,适用的药物范围受到限制。但总的来说,这种包囊药物的聚合物微针仍具有很好的研究价值和市场前景。3.4微灌注实验方法空心微针一般采用微注射的方式给药。虽然目前已经制造出很多不同种类的空心微针,但相对于实心微针来说,空心微针在经皮给药系统的应用却是有限的。Martanto等进行了空心微针的微灌注实验:将空心玻璃微针以恒定压力刺入人体皮肤下720～1080μm处,选用磺酰罗丹明(sulforhodamine)溶液进行微灌注,通过调节刺入深度、灌注压力、微针针尖形状及加入透明质酸酶(hyaluronidase),可在21～1130μL/h范围内控制溶液流速。通过调节和优化灌注参数来提高灌注流速以达到药物输送需要,这在文献报道尚属首次。实验结果表明,单个微针进入皮肤的灌注速率最高可达到1mL/h,这足以保证大多数药物能在单位时间内维持足够的治疗浓度,使药物在经皮输送方面的应用更为广泛。4macroflxue3eb为加压素提供药物中心近年来,随着微机电加工技术的发展,对微针经皮给药技术的研究日益增多,许多著名公司开发出了相关技术的产品,如美国ALZA公司用于大分子药物经皮给药的Macrofluxue3eb技术。Macrofluxue3eb皮肤贴片由钛金属微针阵列和聚合物背衬层组成,通常在Macrofluxue3eb贴片上外加一个助推器,形成Macrofluxue3eb装置(图1)。在微针阵列上用牛血清白蛋白包衣,药物释放速率能在5秒内达到20μg,所产生的免疫反应比相同剂量药物皮下注射产生的反应高出50倍。Cormier等将Macrofluxue3eb技术用于加压素的经皮给药。将光化学刻蚀方法制得的钛金属微针阵列浸于含加压素的溶液中进行包衣,由电镜扫描来提供包衣的厚度及深度。将包好药物的微针阵列用Macrofluxue3eb装置刺入豚鼠皮肤,结果显示,载药后的微针刺入皮肤的深度明显低于未载药微针刺入皮肤的深度,但90%以上微针均已刺入皮肤30μm以上,即能透过角质层。给药1小时后血药浓度达到峰值,且经皮给予加压素82μg与静脉注射11μg该药的消除动力学特征基本一致。该