生物微针的力学原理及应用

生物微针的力学原理及应用

1经皮给药特点到目前为止，人类已经发明了多种药物处理技术。口服给药、注射给药（包括肌肉注射和静脉注射）和经皮给药是医疗过程中最常用的给药方法。由于药物的进入胃和肝脏等组织和器官的初始作用，以及肠道消化酶和肝脏的初始作用，药物的吸收效率显著降低。特别不适用于蛋白质、胰岛素和dna等药物。注射给药技术克服了上述缺点，但将普通针头插入皮肤的深度，给患者带来焦虑的疼痛。尤其是对于需要定期治疗的老年人（尤其是需要经常注射胰岛素的糖尿病患者），这尤其痛苦。此外，由于普通针头的体积很大，用药会导致皮肤严重受损，并对伤口的处理也不充分，以产生副作用。最后，普通注射给药技术可以同时将药物注入人体。在短时间内，体内局部药物浓度过高，不利于药物的连续、稳定释放。然而，传统的经典药物给药具有弊端，尤其是皮肤表面的皮肤厚度（皮肤厚度约为10.20m，主要由死亡的皮肤细胞组成），药物的输出率低，一些大型药物完全不能穿透皮肤。为了提高透皮离膜的效率，扩大透皮离膜的类型，人们从化学、物理和生物学的角度研究了改进的经络皮肤输出率。例如，使用各种促透剂的化学法、离子导入、超声波诱导、电孔法和微粉低速喷射等物理方法。近年来，随着现代微纳米加工技术的快速发展，一种被称为微针的新的经络药物促进方法出现了，并越来越受到重视。微针(microneedle)[1,7,8,9,10,11,12,13,14,15]一般是指长度在几十微米到几毫米,尖端直径在几十微米以下的微型针头.研究表明,利用微针进行经皮给药,一方面可以克服传统经皮给药技术的缺点,另一方面还不会像普通肌肉注射或静脉注射那样引起明显的痛疼和创伤.微针之所以具有这些优点主要是因为微针的尺寸非常微小,在进行经皮给药时微针可以仅刺透皮肤的表层而不触及皮肤深层组织中的神经,从而实现无痛,或微针即使刺入皮肤深层,但由于尺寸微小,不但刺入力小而且接触神经的概率变小,因而产生的疼痛感仍然远小于传统针头引起的疼痛;显然微针刺入皮肤所产生的创伤比普通针头小得多,可以实现微创给药;更为重要的是,由于微针已在皮肤表层形成了微米级的药物输送微通道(比一般药物分子尺寸大一个数量级),克服了药物经皮输送的最大障碍—–角质层的阻碍作用,从而极大地提高了药物输送效率以及可经皮输送的药物种类.Henry等于1998年首次对微针阵列促进药物传输的效率进行了研究,实验表明经微针阵列刺破皮肤后,钙黄绿素的经皮输送效率提高了约4个数量级.除了具有无痛、微创以及输药效率高等优点,如果再结合其他微流体控制系统,微针还可以实现长效可控给药.此外,微针经过特殊设计后结合相应的微流体控制和分析系统,还可以用于人体无痛微量生化采样分析.正是因为微针经皮给药技术具有上述诸多优点和广阔的应用前景,相关技术已越来越受到人们的关注,逐渐成为医学、微纳制造以及力学等相关学科的研究热点之一.但遗憾的是这一技术目前仍然没有进入大规模的临床使用,究其原因很重要的一点是微针在使用过程中面临诸多力学问题,导致微针在使用中存在一些安全隐患.如何解决这些问题是微针研究的重要内容,需要我们对微针刺入过程中所涉及的力学问题进行深入研究.值得一提的是最近国内外部分研究人员已尝试通过研究自然界中的“生物微针”来获得改进人造微针的灵感.本文将就微针所涉及的力学问题研究进行评述,并介绍当前生物微针方面的研究进展,对有关微针制造技术方面的研究,感兴趣的读者可以查阅相关文献[1,8-15].2金属微针制备的可行性微针的概念最早产生于20世纪70年代,但由于当时微纳加工技术还不够成熟,微针在制造方面遇到一定困难.到了20世纪90年代,随着现代微纳米加工技术的飞速发展,人们已获得了制造各种微针的必要手段,微针相关研究也因此迅猛发展起来,各种微针相继被制造出来.在这些微针当中,若按制备材料来分,目前主要有硅微针[18,25-26]、金属微针[27-30]、玻璃微针[31-32]、聚合物微针[33,34,35,36,37,38]以及其他可降解材料微针(如麦芽糖、乳糖等).在这些微针材料当中,硅因为加工工艺已较为成熟,所以常被用来制备微针,但硅微针的加工费用仍然较高,而且整个加工过程对环境的洁净程度要求高.此外,硅作为微针材料还有另外一个显著缺点,那就是硅很脆,如果设计不合理或使用过程受到较大外力(尤其是弯矩)后容易发生断裂.已有研究表明,硅微针在较高压力作用下针尖会产生5∼10µm的断裂碎片.而且硅的生物相容性又不好,断裂后残留在皮肤内的碎片可能引起不良反应,严重时这些微小碎片还有可能进入血管和心脏,引起一些恶劣后果.若采用金属来制备微针,其成本相对硅微针而言要低一些,但有些金属刺入皮肤后可能会引起不良免疫反应,因此硅微针和金属微针虽已在实验室进行过大量研究,但其真正用于临床仍面临考验.近年来,聚合物材料与可降解生物材料因为具有良好的生物相容性和生物可降解性、良好的韧性和可加工性等而被大量用于制作微针,尤其是那些可降解生物材料微针,可以将要输送的药物直接混合到原料中进行微针制备,微针刺入皮肤后降解的同时可将药物输送至体内循环,从而不必像其他微针一样需要在制备好的微针上进行药物包覆等复杂操作,不过药物掺杂对微针的强度有不利影响,还有待进一步研究测试.此外,大部分聚合物和可降解生物材料还存在硬度和刚度较低等缺点,微针设计不合理或刺入方式不当都容易引起微针发生屈曲失效,从而无法刺入皮肤.总之,只有从基本力学原理出发来进行合理设计,才能确保微针在实际使用时不发生断裂和屈曲等破坏.若按外部结构来分,微针还可分为同平面微针和异平面微针,同平面微针是指微针长度方向与基底在同一平面上,而异平面微针其长度方向垂直于基底平面.从内部结构来分,微针还可分为空心微针和实心微针[30,31,50,51,52,53].顾名思义,空心微针是指内部具有药物输送微通道的微针,而实心微针则没有内部通道.空心微针由于具有内部流道,药物可以通过扩散或压力驱动的方式直接经内部流道进入皮肤,使得药物传输效率显著提高,如果与储药池配合,还可以实现药物的长时间连续给药.更为重要的是,空心微针还可以用于微量生化取样分析,实心微针却不太适合于生化取样分析.由于没有可供药物传输的内部微通道,实心微针在促进药物传输时只能采用如下方式:(1)利用微针(微针阵列)刺入皮肤并使皮肤表层形成微通道,然后拔出微针,再将药物类似于膏药一样贴覆于已形成微通道的皮肤表面,这是英文所称的‘pokewithpatch’方法;(2)将药物包覆于微针表面,然后将微针刺入皮肤,等包覆于微针表面的药物扩散至体内后再将微针拔出,即为‘coatandpoke’方法;(3)采用生物可降解材料来制备微针,并且在制备时将药物分子混合进微针材料,药物分子和微针材料本身在刺入皮肤以后都进行降解,药物分子最终进入血液循环系统.值得注意的是,Sammoura等制备了一种微流道在表面的聚合物微针,使之既具有空心微针在药物传输方面的特点,同时在加工上又较普通空心微针更容易实现,不失为一种新型的微针设计.显然,微针在材料和结构方面的不同不仅会导致输药方式和效率方面存在差异,而且也会使微针制备工艺有所不同(感兴趣的读者可查阅相关文献[1,8,9,10,11,12,13,14]),但不管上述性质有何不同,微针都必须同时满足以下条件:(1)微针刺入皮肤的力必须足够微小以满足无痛和微创这一根本要求;(2)微针必须具备足够的强度和刚度,以确保微针在整个使用过程中不发生断裂或屈曲;(3)微针还必须具有良好的生物相容性.如何在设计中确保微针能够满足这些条件,需要对微针本身和其与皮肤相互作用过程所涉及的力学问题进行深入研究,而对人类皮肤的构造与力学特性有所了解又是最基本的要求.3人类微针的力学研究3.1皮肤微针刺入皮肤力学特性的变化皮肤是人体最大的器官,是人体与外界的重要屏障,使外界有害物质难以直接侵袭到体内其他组织器官,但也正是这种屏障作用使大部分药物难以直接经皮渗透进入血液循环.皮肤属于典型的生物黏弹性材料,由表皮(epidermis)、真皮(dermis)和皮下组织(hypodermis)组成,图1为皮肤的结构示意简图.表皮层是皮肤的最外层,厚度约为75∼150µm,主要由形状和大小不同的复层鳞片上皮细胞组成,由外向内又可细分为5层:角质层、透明层、颗粒层、棘细胞层和基底层.表皮层是皮肤抵抗外界侵袭的主要屏障,而厚度约为10∼20µm的角质层在这一屏障中又起着最为关键的作用,它们是由15∼20层已死亡的扁平角质细胞组成,经皮给药技术的关键就是如何促使药物高效通过角质层这一屏障,而且它也是微针首要的作用对象.与表皮层牢固连接的下一层皮肤组织是真皮层,厚度约为1∼4mm,主要由胶原纤维(collagenfibre)、弹性纤维(elastinfibre)和基质组成(groundsubstance).接近于表皮层的称为乳头层,又称真皮浅层.其下称为网状层,也称真皮深层.胶原纤维是真皮层的主要成分,约占无脂肪真皮干重的77%,互相集合成束状.在乳头层纤维束较细,排列紧密,方向不一,亦不互相交织.在网状层纤维束较粗,排列较疏松,交织成网状,与皮肤表面平行者较多.胶原纤维有着较高的拉伸强度(约1.5∼3.5MPa)、较高的刚度(0.1∼1GPa)和低延展性(断裂时应变只有5%∼6%),是皮肤中的主要抗力元素,对针刺入行为有着重要影响.弹性纤维占无脂肪真皮干重的4%,它是缠绕在真皮深层处较粗胶原纤维上的细纤维,与胶原纤维相比其刚度低得多,但其变形具有非常好的可逆性.基质存在于纤维束及细胞之间,约占皮肤真皮体积的70%∼90%.基质含有粘多糖和组织液,对纤维网起润滑作用,但它对真皮的抗拉强度不起大的作用.真皮的下部是皮下组织,由疏松结缔组织和脂肪小叶组成,下面紧邻肌膜.皮下组织的厚薄因年龄、性别、部位及营养状态而异,具有防止散热、储备能量和抵抗外界冲击的功能.关于皮肤的力学性质国内外已有广泛研究[57-58,61-67],我国学者[68-72]也对该方面的研究进行过详细综述,卢天健和徐峰在文献中给出了非常详尽的测试数据.在了解皮肤的力学性质时,首先需要明确皮肤的性能具有多样性、各向异性、非线性和黏弹性等特点,而且这些性能又会受到多种因素的影响.如年龄、性别、在人体皮肤上的位置、水化作用、pH值、相对湿度等,甚至不同时间相同皮肤也会表现出明显不同的力学性能.因此,对皮肤力学特性进行准确定量的描述是非常困难的,有时甚至是没有意义的,更多情况下皮肤的力学性能往往是指其在特定条件下的分布范围.为了对微针刺入皮肤进行力学计算分析,必须首先知道皮肤的应力应变关系.研究表明,尽管胶原纤维和弹性纤维被认为是线弹性的,但皮肤单轴拉伸时的应力应变曲线却是非线性的,图2为皮肤典型的应力应变曲线,即所谓的“J”型应力应变关系.从图2中可以看出明显的4个阶段,在I阶段,应力与应变近似呈线性关系,此时波浪形的胶原纤维对变形的影响可以忽略,变形主要是由弹性纤维引起;在II阶段,应力应变曲线呈现渐进强化的趋势,具有黏弹性特征,是由相互交联的胶原纤维被拉伸而承受载荷所引起的非线性响应;在III阶段,因为胶原纤维已经被拉直,从而应力应变曲线再次表现为线性;第IV阶段则是由于胶原纤维被拉伸破坏所表现出来的屈服破坏阶段.显然,皮肤的这种复杂的非线性应力应变关系使微针刺入皮肤的力学行为分析变得困难,实际计算时只能采取相应的简化模型,将皮肤视为各向同性不可压缩的超弹性材料是目前最为常用的简化策略[57-58,61-62].对于超弹性材料,其应力应变关系由其弹性应变能函数微分得到,Rivlin提出各向同性不可压缩单位体积应变能为式中,Cij为材料常数,I1和I2为应变张量的第一和第二不变量.需要注意的是,式(1)的推导利用了不可压缩材料应变张量第三不变量I3=1这一事实.由于式(1)非常复杂,往往只保留第一项,即式(2)即为Neo-Hookean本构模型.其中唯一的材料常数C10需通过实验拟合得到,对皮肤而言,C10的大小往往在十几兆帕左右,而且受多种因素的影响.若保留式(1)中的前两项,便可得到另外一种较为常用的Mooney-Rivlin本构模型,即式中C10和C01都为待定常数.孔祥清等利用Neo-Hookean型本构对微针刺入皮肤的行为进行了模拟,而且在计算当中还考虑皮肤力学性质在厚度方向的差异性,发现皮肤各层组织的厚度等参数对刺入力及变形都有重要影响.针对生物材料的各向异性,还有其他类型的本构模型,如Fung等提出的指数形式应变能函数.强度是皮肤的另一重要力学性能指标,一般包括抗压强度、抗拉强度和抗剪切强度,其中抗拉强度最为常用,但抗拉强度的大小与皮肤位置、试样尺寸、拉伸方向、性别、年龄等因素有关.人类皮肤典型的抗拉强度范围在2.5∼16MPa.Wildnauer等根据实验还确定了人体皮肤角质层在不同相对湿度下的破坏强度为13∼44MPa.皮肤摩擦系数对微针刺入皮肤的力学行为也会产生重要影响,如微针刺透角质层后的阻力大小以及给患者带来的疼痛感就与此有关,不过现有研究主要针对的是皮肤表面的摩擦系数测定,尚没有见到有关皮肤内部的摩擦特性的报道.总之,皮肤在结构、材料以及生物特性等方面的复杂性导致其力学行为非常复杂,给相关的力学分析带来了困难,实际进行计算分析时必须根据具体情况做出尽可能合理的简化和假设.此外,在进行微针设计时,必须考虑皮肤这种复杂的力学行为特性对微针安全性的影响,微针必须具有足够的安全余量以适应刺入不同皮肤的需要.3.2微针刺入力的测量如前所述,微针必须有足够高的强度和刚度来确保微针刺入时不发生断裂或屈曲破坏,在刺入后的整个输药过程及拔出过程中同样要求微针不发生断裂破坏,因此强度和刚度问题是微针设计中必须考虑的两个基本力学问题.在进行微针设计时,如何减小微针刺入皮肤所需的刺入力也是决定微针设计是否成功的关键之一,原因在于刺入力太大不仅意味着微针所受作用力大,容易诱发断裂或屈曲,同时过大的刺入力还有可能引起疼痛,从而使微针丧失无痛这一最根本的技术优势.因此,微针的强度、刚度、刺入力以及微针与皮肤的相互作用研究对改进微针设计、提高微针综合性能有着极为重要的意义,遗憾的是与微针制造技术方面的研究相比,这方面的研究目前较少[45,81-83].虽然专门针对微针刺入皮肤的力学行为研究较少,但人们对普通针头刺入皮肤的力学行为已进行过大量研究[84,85,86,87,88,89,90],从中或许能帮助我们加深对微针刺入皮肤力学行为的理解,而了解针在刺入皮肤过程中都受到哪些力的作用最为关键.针在刺入皮肤时所受全部作用力可由式(4)表示[84-86]式中各参数的含义可以结合图3来理解.图3说明了微针与皮肤作用的3个阶段,z表示竖直方向的位置.图3(a)为两者接触但没有相互作用力时的临界状态,此时与针尖顶端接触的皮肤处在z1位置(z=z1);(b)为针尖恰好刺透皮肤的瞬间,此时与针尖顶端接触的皮肤处在z2位置,由于皮肤沿针刺入方向发生了变形,显然有z1<z2,(c)为刺入皮肤之后,与针尖顶端接触的皮肤处在z3位置,由于皮肤弹性变形(部分)恢复,但皮肤黏性仍然使皮肤的变形不能马上完全恢复,所以有z1<z3<z2.在图3(a)和(b)两种状态之间,即针与皮肤已发生作用但还没有刺入皮肤,为了使皮肤产生变形必须施加一定的力,式(4)中的fstiffness即为对应的作用反力,它由皮肤的刚度所引起,大小与皮肤力学性质、针尖的形状与尺寸等参数有关,最大值即为刺入力.Simon和Okamura等根据实验测试结果,给出了fstiffness的计算公式如下式中a1和a2为常数.式(5)意味着fstiffness在针尖刺入皮肤之后大小为零,微针受力将只由ffriction和fcutting构成.ffriction的表达式为式中Cp和Cn分别正负动摩擦力,bp和bn分别为正负阻尼系数,Dp和Dn分别是正负静摩擦力,˙z是针尖和皮肤的相对运动速度,∆v/2为一速度阈值,当速度绝对值小于该值时速度可视为零,Fa是除摩擦力以外的作用于系统的力之和.由式(6)不难看出针所受摩擦力的影响因素是非常复杂,ffriction不仅与针及皮肤组织的摩擦性质有关,而且还与刺入速度有关,速度高时应该视为动摩擦,速度低时应该视为静摩擦.此外,该力的大小还与皮肤对针表面的法向挤压力(clampingforce)大小有关,而法向挤压力又受皮肤力学特性、针形状及尺寸的综合影响.除了上述ffriction的作用,针尖在组织中穿行还需将其前端皮肤切断或挤开,因此受到式(4)中的fcutting力作用,该力应包含切断组织所需剪力和由于组织刚度产生的压力两部分,Simon和Okamura给出的表达式如下式(7)表示只有当针尖刺破皮肤之后其值才不为零.fcutting的大小可由针尖刺破皮肤后总的受力减去ffriction部分,但ffriction的测量是非常困难的.Kataoka等采用特殊设计的七轴加载单元对上述各力分量进行了测量,其技术核心在于将针包裹在另一空心针当中,摩擦力由连接到外层针的传感器测得,而其他轴向力分量则由连接到内部针的传感器获得.由于需要进行上述巧妙而复杂的改装,针就必须具有足够大的尺寸,所以该技术难于用于微针所受各力分量的测量.尽管存在尺寸上的差别,微针刺入皮肤时所受的作用力仍可由式(4)来描述,由此不难获知,微针刺入力必然与微针几何形状和尺寸、微针的材料力学性能、皮肤的力学性质以及刺入方式密切相关.2004年Davis等首次对微针刺入活体皮肤所需刺入力和微针断裂力(微针在轴向挤压作用力下发生破坏时的压力)进行了实验测试和理论分析,他们发现微针刺入皮肤所需的刺入力与针尖横截面积近似成线性正比关系,而微针断裂力随微针壁厚、壁面角以及针尖曲率半径的增加而增加.如果以微针断裂力与刺入力之比来衡量微针的安全余量,这个比值越大微针越安全.要提高这个比值,可以通过提高微针断裂力或减小微针刺入力来实现.Davis等对其所制造的几种微针(高度720µm,针尖曲率半径和壁厚分别为30∼80µm和5∼58µm之间)进行了实际测量,发现刺入力在0.1∼3N,断裂力与刺入力的比值随着壁厚的减小而减小,但随着针尖曲率半径的减小而增加.Roxhed等采用深反应离子刻蚀技术加工出了一种非常尖锐的硅微针(针尖曲率半径小于100nm),测试结果表明其刺入活体皮肤的力仅约10mN左右,是目前已知刺入力最小的人造微针,而且从文中给出的数据来看,10mN的刺入力仍可能被高估了.Khanna等也采用类似的技术来提高微针的尖锐程度,使微针的刺入力大幅下降为未削尖微针的约1/50.由此可见,增加微针的尖锐程度可以减小刺入力是毫无疑问,但单纯增加微针尖的锐程度是否一定能够提高微针的安全性呢?答案是否定的,原因在于过分尖锐的针尖容易引起断裂和屈曲失效,尤其当针尖的形状设计不合理时更是如此.Ji等从理论上分析了多孔硅微针的断裂强度和屈服临界载荷与微针尺寸的关系,微针假设为金字塔型,因此根部和针尖处的横截面均为正方形,针尖处截面边长1∼6µm(记为a),根部边长10∼30µm(记为b).结果表明边长a对屈曲临界载荷影响不明显,但边长b对该值的影响非常明显.当边长a都为5µm,而边长b分别为10µm和30µm时,屈曲临界载荷分别约为2mN和109mN(该数据根据文献所示图形估计得出),而且还发现当边长b小于10µm时,边长a即使取最大值微针都会产生屈曲破坏.与此不同,边长b和边长a对针尖的抗弯曲断裂破坏能力都有重要影响,当边长a小于2µm时,不管边长b的取值是多少微针都容易产生弯曲断裂,同时当边长b为10µm时,边长a不管取值是多少微针也会产生弯曲断裂.因此,单纯依靠增加针尖的尖锐程度来降低刺入力并不一定总能提高微针的安全性,或者说Davis等的结论只是针对其所研究的几种微针而言是正确的,对其他不同形状与尺寸的微针我们需要进行具体的计算分析或实际测试才能最终确定其是否安全,但有一点是肯定的,那就是我们总希望刺入力尽可能小的同时微针又具有足够高的强度和刚度,那么微针的强度与刚度又主要与哪些参数有关呢?Paik等采用有限元模拟和实验相结合的办法,研究了具有不同针尖形状的单晶硅微针抵抗屈曲失稳破坏的能力,同时测量了这些微针刺入鸡胸脯肉的刺入力.表1是他们所研究的四种不同形状的针尖,测试结果表明,A,B和C3种形状的微针针尖的局部屈曲临界压力分别为232mN,276mN和146mN,D型微针因在测试中针尖没有发生明显的断裂所以没有给出具体数据,不过屈曲临界压力应该高于上述三种形状的针尖.这4种形状的微针刺入鸡胸脯肉的平均刺入力分别约为65.7mN,167mN,103mN和80.9mN,表明针尖形状对刺入力和屈曲坏能力有着重要影响,D型针尖最为理想.但在此我们不得不指出,根据力学常识D形针尖的刺入力明显小于C型针尖的刺入力是值得怀疑的,遗憾的是文中没有对此进行讨论.我们推测可能是由于针尖的曲率半径不同导致,只是这些重要的参数文献中没有提供,而且也没有对针尖形状影响微针性能的内在机理进行分析.Aoyagi等通过有限元模拟分析发现,微针在刺入皮肤过程中皮肤在接触区存在严重的应力集中,这种应力集中有利于刺破皮肤,而微针越尖应力集中越明显,细长尖锐的微针有利于刺入,但容易产生屈曲失效.Okamura等发现普通针头刺入人体软组织时的刺入力与针尖的形状密切相关,针尖依次为等腰三角形(triangular)、斜角形(bevel)和圆锥形(cone)时,刺入力逐渐减小,遗憾的是这3种形状对微针抗断裂及屈曲破坏的能力文中没有提及.Park等对聚合物微针在刺入过程中的断裂强度进行了实验测试,发现微针断裂强度随着材料的弹性模量和微针根部直径的增加而提高,但随着微针的长度增加而减小.就他们所研究的微针而言,当微针材料的弹性模量小于1GPa时,微针在刺入皮肤之前会产生屈曲破坏,这些结论对于微针材料的选取,特别是聚合物材料的选取具有重要的指导意义.Wilke等通过实验研究了横向剪切作用对单晶硅微针断裂行为的影响,发现单晶硅会沿着晶面(111)方向产生剪切破坏,微针长度的不同会影响微针的抗剪强度,越靠近尖端,抗剪强度越低,而所测试的单晶硅微针的平均剪切强度约在11MPa,远远低于硅悬臂梁在横向载荷作用时的极限破坏强度,当采用单晶硅来制备微针时,这一现象必须考虑.Shibata等和Kawashima等通过有限元模拟分析了二氧化硅微针刺入细胞时的力学行为,讨论了横向力对微针应力和应变的影响.Khanna等对圆桶形硅微针的破坏模式进行了实验研究,指出微针在刺入皮肤时单纯的压缩破坏一般不会发生,剪切力作用才是导致微针破坏的主要原因,破坏力的大小与微针的几何尺寸密切相关.上述研究表明,微针材料、几何形状及尺寸对微针的力学性质有着重要影响,但是微针几何参数设计不能单纯从微针本身的强度和刚度出发.例如,为了提高微针的抗屈曲能力,微针长度应该设计的尽可能短,但过短的微针一方面对输药效率有不利影响,另一方面还可能直接导致微针无法刺入皮肤.Li等发现长度200µm的微针阵列中大部分微针都无法刺入皮肤,由于皮肤被刺入时会产生很大的弹性甚至黏性变形.也就是说要解决微针设计中存在的诸如此类的矛盾不仅要从微针设计出发,还必须研究其与皮肤的相互作用关系,但目前这方面的研究只有少量的数值模拟分析.孔祥清等采用非线性有限元技术对微针刺入皮肤的过程进行了分析,计算时采用了简化的二维轴对称模型,模型中的微针长为720µm,尖端半径40µm,壁面角60◦(见图4中插图),这与Davis等制备的微针一致.皮肤层由厚度分别为20µm,1.5mm和1mm的角质层、真皮层和皮下组织构成,各层皮肤假设为各向同性,均采用Neo-Hooken形式的本构模型,但材料参数不同.图4为计算得到的微针受力随位移的变化曲线,图4中N2标示的力突降点意味着微针刺入皮肤角质层,突降之前的最大力即为刺入力.另外还发现在三层皮肤组织中角质层的各项性能对微针刺入力的影响最大.当角质层破坏强度由39MPa降低到13MPa时,刺入力减小约87%.当角质层弹性模量由7.2MPa增加到26MPa时,刺入力由原来的44mN减小到20mN,减小了约55%.此外,角质层的厚度对刺入力也有重要影响,当角质层厚度由10µm增加到30µm时,刺入力由原来的62mN增加到70mN,增加了约14.5%.真皮层和皮下组织虽然对刺入力也有一定影响,但比角质层产生的影响要小得多.婴儿的皮肤角质层厚度和强度与成年人相比均较小,因此蚊虫最愿意叮咬.从图4还可以看出,皮肤在微针刺入之前产生了约450µm的位移,如此大的位移需要微针有足够的长度,但过长的微针对强度和刚度的影响是不利的,同时也增加了制造上的困难.Wang等研究发现通过转动或震动微针可以使皮肤被刺入之前的变形显著减小.Kawashima等发现刺入细胞所需位移与针尖横截面积呈线性关系,并发现通过振动刺入可以显著减小所需位移.Aoyagi等认为给皮肤一定的预张拉力也可以减小皮肤被刺入前的变形,有利于微针的刺入,不过文中没有对其机理做进一步的研究.除了要有足够高的强度和刚度、尽可能小的刺入力以外,微针还必须具备将药物顺利输送致体内循环的能力,这主要涉及药物在微针中的传输流动问题.如第2节所述,实心微针一般是通过在皮肤表层形成微通道,药物分子往往以被动扩散的方式进入血液循环,或结合电离子渗透等方法来加速其扩散效率,输送效率主要与通道大小以及深浅有关,而空心微针由于药物需经其内部通道进入皮肤,所以微针的刺入方式、形状、尺寸,特别是内部通道的尺寸及设置方式对输药效率都会产生较大影响[11,100,101,102].从当前有关液体在微针中的流动特性研究来看,大都假设流动服从经典层流理论,在压力流驱动下服从泊肃叶定律,以圆形通道为例,其流动阻力为式中,R为流动阻力,∆P为两端压差,Q为体积流量,µ为动力黏度,L为通道长度,D为通道直径.由式(8)可以大致看出微针通道各参数对药物流动效率的影响,但实际规律还需要通过实验来进行验证.Bodhale等基于式(8)的理论计算和数值模拟发现,药物流动规律基本与式(8)描述相符.即药物速率与微通道的直径成正比,而与微针长度成反比.Martanto等研究了单根空心玻璃微针对磺酰罗丹明B溶液的传输效果.研究表明,提高流体驱动压力可以提高输送效率,而且当压力高于一定水平以后会使尖端聚集的皮肤组织移开或变形,从而进一步提高输送效率;增加微针刺入深度也能有效提高输送效率,特别是将微针刺入一定深度后再拔出一部分可以使输送效率提高10倍左右;将针尖由平面(blunt-tip)改为斜面(bevel-tip)也可以提高输送效率.此外,他们还发现微针尖端聚集的真皮组织所形成的阻碍作用是影响微针输送效率的关键因素,微针微通道本身对药物的阻碍作用次之,其他研究也有类似结论,而且在刺入过程中皮肤还可能因为取心效应(coringeffect)而堵塞微通道.为了克服这一问题,人们往往通过在微针尖端侧边开口而不是正前端开口来实现.实际上这种开口方式也使得开口处的截面积增加,增加了药物与组织的接触面积,有利于提高输药效率.Gupta等研究了驱动压力与流量之间的关系,显然,流量越大所需压力也越大.最近,Li等发现长度只有70∼80µm的硅微针在足够大的压力作用下可以刺破皮肤角质层,最终促进经皮输药的效率.如前所述,微针与传统注射针头相比最大的优势就在于无痛或微痛,因此,了解微针各设计参数对微针刺入时产生的疼痛感是非常有必要的.但遗憾的是目前这方面的研究非常少,只有Gupta等及Gill等对此进行了专门研究.Gupta等发现增加刺入深度、增大流体驱动压力等都会使痛疼感有所增加,但刺入深度对疼痛感的影响最为明显.Gill等较系统地研究了微针长度、宽度、厚度、针尖角度以及阵列中的微针数目对疼痛感的影响.结果表明,微针长度对刺入疼痛感影响最明显,长度增加3倍,疼痛感约增加10倍.其次,微针数目对疼痛感也有较显著影响,数目增加10倍,痛疼感增加约2倍.由于疼痛感的产生及其决定因素是非常复杂的[17,109,110,111],所以上述研究只能是为微针的设计提供重要参考,而未能从机理上对微针各参数影响疼痛感的内在机理进行深入探讨.由于微针的作用深度一般在毫米以下,因此刺入的疼痛感与皮肤结构和力学行为息息相关,最近我国学者卢天健和徐峰在皮肤生物力学以及皮肤热痛方面有较深入的研究,对于我们研究微针刺入的疼痛问题会有所帮助和启示.毫无疑问,上述研究使我们对微针刺入皮肤以及微针经皮药物传输的过程有了更本质的认识,对我们改进微针的设计也有非常大的帮助,但由于问题本身的复杂性(主要由皮肤力学行为的复杂性所导致),上述研究从整体上来看更多局限于对微针的简单力学分析,结论多是定性的.此外,这些研究所采用的分析模型过于简化和理想化,缺乏一般性.事实上,我们希望微针在实际临床使用时可以像普通膏药那样由非专业人员直接用手进行操作,这样各种不确定性的外力和变形都可能作用在微针上.因此,微针在实验室实验时不被破坏并不意味着在临床使用时就一定安全,临床使用的微针必须具有很高的安全性与可靠性,如何通过改进设计来降低刺入力、提高微针的安全性、可靠性以及输药效率仍然有待进一步研究.然而,大自然中有许多生物微针无论是可靠性还是刺入技巧等都是人造微针望尘莫及的,生物微针为先进人造微针的设计提供了重要启发.4食性昆虫的分类经过亿万年的进化,大自然赋予了地球生物各种各样的特殊技能,向大自然学习是我们永恒的话题,微针的设计同样可以从自然界一些特殊的生物微针学习.为了延续生命大自然为各种小型昆虫创造了各式各样的口器.刺吸式口器(piercing-suckingmouthparts)就是某些昆虫取食植物汁液或动物血液重要针刺式口器,为同翅目、半翅目、蚤目、虱目及部分双翅目昆虫所具有.按其结构和功能的不同,又分为植食性刺吸式口器和吸食动物血液的刺吸式口器.其中拥有植食性刺吸式口器的昆虫以蝉为代表,主要吸食植物体内的汁液;而吸食动物血液的刺吸式口器主要为蚊科类昆虫所拥有.通常情况下,昆虫口器的组成部分类似,都是包括一个上唇、一对上(大)颚、一对下(小)颚、舌(喉咽管)、一个下唇.刺吸式口器的构造较其他类型的口器更为巧妙,整个口器进化成了一个空心的注射针头,下唇是一个收藏或保护口针的喙,其他组成部分演变成细长的生物口针,昆虫取食时把针状的口针部分插到动植物的组织内吸食其中的血液或者汁液.蚊子口针是目前发现的最为精致的生物口针,无论从结构、力学性质和刺入技巧方面都是人造微针望尘莫及的.下面我们将以蚊子口针为主要对象,介绍其微纳结构、力学性质、刺入技巧以及基于蚊子口针的仿生微针方面的研究.4.1蚊口刺入皮肤的结构蚊子是人们最为熟悉的小型昆虫之一,平均质量只有约2mg(因蚊子种类而异).成年雌蚊喜欢吸食人类和动物的血液,大自然赋予了它优异的吸血技能,可以做到真正的无痛吸血(被蚊子叮咬之后感觉痛痒是因为蚊子在皮肤内分泌了毒液),所以炎炎夏日人们总是在不知不觉中被其偷袭,令人深恶痛绝.在了解蚊子口针无痛刺入人体皮肤的内在原因之前,让我们首先了解蚊子口器的详细结构.关于蚊子口针(fascicle)的微观结构,早在20世纪30年代就有不少研究者[113,114,115,116]进行过观察,但由于受当时观察手段的限制,无法进行精确描述,整个研究属于纯形态学的范畴.20世纪70年代,Arnell等和Jones等进一步对蚊子口器进行了更为细致的观察.Clements对蚊子的解剖学内容进行了详细介绍.研究表明,蚊子口器并不像注射器针头那样是一个单一的针管,而是一个自然进化出来的复杂生物微机电系统(BioMEMS),它由6部分组成:一个针管状的上唇、一个喉咽道、一对上颚和一对下颚组成了蚊子刺入皮肤的口针,所有口针都非常锋利(针尖曲率半径100∼200nm).整个口针又被包入一条有沟槽的下唇中而构成蚊子的口器,见图5(a).下唇是一个一侧开口、组织较厚但弹性极好的包鞘结构.下唇实际上主要起到保护蚊子口针的作用,在口针刺入皮肤时,下唇前端接触皮肤,并“握住”口针,后端随着口针不断刺入皮肤深处而发生弹性弯曲,见图5(b).在口针这些结构当中,上唇是蚊子口针中最为重要的结构,它整体长度约为2∼2.5mm,尖端内部直径约为十几微米到二十几微米,与蚊子种类有关.图6(a)是它的局部放大图和吸血过程示意图,可见蚊子口针的上唇非常尖锐,尖端曲率半径在百纳米量级.显然,如此尖锐的针尖有利于蚊子刺透皮肤,而且我们在上唇尖端还可看到有一个20∼25µm长的V形加强筋结构,这将有利于防止尖端的局部屈曲.除上唇外,下颚是蚊子口针中另一非常重要的结构,图6(b)是白纹伊蚊下颚的局部放大图片.可以看到下颚的外侧长着一排微小的锯齿状结构,这些锯齿排列规则,齿向均指向下颚后端.除了外侧这一排锯齿之外,下颚内侧还有一排,内侧锯齿的形状和外侧锯齿相似,但其尖端较后者要尖一些,排列同样规则,齿向也与外侧锯齿相反,朝向下颚顶端.这些锯齿的齿尖非常锋利,曲率半径约为50∼150nm.一般地,蚊子种类不同,下颚尖端处的锯齿数目也会不同,如白纹伊蚊下颚顶端外侧锯齿数目约为12∼14个,内侧约为4∼6个.下颚上的锯齿数目与蚊子的吸食习惯有很大关系,那些长着14个以下锯齿的蚊子主要以人类血液为吸食对象,齿数目更多些的则主要吸食家畜的血液,微纳锯齿数目越多可能越有利于刺入皮肤.4.2蚊口针刺入皮肤孔祥清首次对白纹伊蚊刺入人体皮肤的刺入力进行了在体测量,图7(a)为所用的实验装置,图7(b)为实际测定的典型时间力曲线.平均刺入力仅为16.5µN,几乎与蚊子的体重相当,这个刺入力比目前世界上最好的人造微针小3个数量级,令人类望而兴叹.除了刺入力极小,蚊子口针展现给我们的还有其惊人的抗屈曲能力.如前所述,蚊子口针是一种大长径比的结构,按理很容易发生屈曲,但事实是蚊子吸血时从不会发生此类问题,是何种原因或者机制使蚊子口针具有刺入力微小和抗屈曲性能好的原因?首先,蚊子口针具有非常尖锐的针尖,对减小刺入力是非常有益的,但这一点并不是决定蚊子口针刺入力的唯一原因,更不能保证口针不发生屈曲.孔祥清通过实验就发现,如果将蚊子口针直接以准静态的方式来尝试刺入皮肤,口针必定发生屈曲而无法刺入,所以蚊子口针的优异性能必然还与其他因素有关.利用高速摄影技术研究发现,蚊子吸血时只有口针会刺入皮肤,下唇并不刺入皮肤,但它的后端会随着口针的刺入不断地弯曲变形(图8),前端始终很好地包裹住上唇.下唇对上唇的包裹作用无疑为上唇提供了额外的保护,是防止上唇在刺入过程中发生整体屈曲的有效措施之一.在刺入过程中,蚊子口针并不是简单地直接刺入,而是通过头部以一定频率上下振动从而带动口针以一种振动的方式刺入皮肤[72,79,92,121,122,123].图9是高速摄像机观察到的白纹伊蚊(Aedesalbopictus)振动刺入频率和振动位移与时间的关系.振动频率在2∼16Hz,刺入深度越大振动频率越小,振动范围在30∼60µm.这种上下振动使下颚两侧锯齿就像两把利锯一样帮助口针轻易刺入皮肤深层(关于蚊子上唇是否与下颚同相位振动,由于摄像机分辨率的原因目前尚不得而知),这正是蚊子口针刺入皮肤之所以超级省力的重要原因之一.此外,Ramasubramanian等认为这种振动改变了蚊子口针的屈曲模式,使之由静力屈曲转变为动态屈曲,从而提高了屈曲临界载荷,即提高了蚊子口针的整体抗失稳能力.由此不难看出,蚊子口针刺入皮肤之所以超级省力以及抗屈曲性能优异与其精巧的结构和特殊的刺入方式密切相关.最近,马国军和吴承伟采用原子力显微镜(AFM)纳米压痕技术测得了蚊子口针结构材料的弹性模量和表面硬度.图10是下颚和上唇的表面纳米压痕硬度和弹性模量.可以看出,上唇的表面硬度和弹性模量均高于下颚,显然,这种现象与上唇是刺入皮肤的主要结构分不开的.此外,由图10不难看出无论上唇还是下颚其尖端硬度和弹性模量均高于其他部位,特别是上唇尖端的弹性模量和硬度均为主体部分的弹性模量和硬度两倍以上.高硬度无疑有利于口针刺入皮肤,而针尖局部的高弹性模量还有利于提高生物针尖的局部抗屈曲能力.数值模拟表明,这种梯度设计的力学性质,能够使蚊子口针上唇的屈曲临界载荷提高一倍以上.力学性质的梯度分布除了有利于口针刺入和抗屈曲以外,还有可能帮助蚊子实现一些特殊的功能.Gordon和Lumsden通过观察蚊子口针在青蛙脚蹼皮肤内的活动发现,蚊子口针会产生明显的弯曲变形以便其沿不同方向来寻找到毛细血管,而且在尖端刺入血管以后口针会弯曲成明显的“J”形(见图11),使口针长度方向基本与血管长度方向一致,从而增加口针在血管中的比例,使吸血效率显著增加.显然,蚊子口针尖端的高硬度高刚度有利于口针刺破皮肤及血管,而其他地方相对较低的刚度则有利于口针产生弯曲变形以顺应血管方向.正是这些结构、力学性质以及刺入方式上的超完美设计使得蚊子口针具备了极为优异的综合性能,这也吸引着人们以此为目标来进行人造微针的仿生设计.4.3皮肤、肌肉的特性除了蚊子口针外,自然界其他昆虫也有着非常完美的“微针”.最近Ma等研究发现毛毛虫的刚毛就是一种非常完美的生物微针(见图12).它们具有非常尖锐的针尖,尖锐程度可以和已知最尖锐的人造微针媲美.不仅如此,它们在外形上酷似等弯曲强度的圆环形截面梁.经典的材料知识告诉我们,这种形状的梁具有最佳的抗弯强度和刚度,因此既有利于刺入皮肤,又有利于防止断裂和屈曲.此外,这种生物微针材料在力学性能上也表现出明显的梯度性,即尖端材料的刚度和硬度都远远高于其他部位的材料,这也非常有利于它们刺入皮肤.实验表明,毛毛虫刚毛直接刺入鼠皮肤的刺入力平均仅为约165µN,可以与蚊子媲美.但值得指出的是,这个实验中毛毛虫微针刺入皮肤时没有振动,是一种准静态刺入,这说明毛毛虫微针的优异性能更多的是由其自然优化的几何形状和力学特性所赋予的,这正是人造微针值得学习的重要方面.5微针刺入方式试验基于生物微针特别是蚊子口针的高可靠性和超级省力刺入原理,近年来人们已开始尝试设计仿生人造微针.早在2002年,日本学者Aoyagi领导的研究小组曾制备出一种仿蚊子下颚的硅微针用于血液采样分析,当时主要追求减少微针的直径以及针尖直径.2008年,他们又制备了一种仿蚊子下颚锯齿形状的聚合物微针,见图13(a),并通过有限元分析了两个锯齿状微针和一个无锯齿微针组合作为一个类似蚊子口针的微系统在刺入皮肤时的应力分布.但上述两项研究只是从形态上对蚊子下颚的一种仿生.最近,他们采用硅材料制备出了这种仿蚊子口针的微针系统,见图13(b),通过试验研究了这种微针系统刺入硅胶所需的刺入力,分别采用了3种不同的刺入模式:(1)三根微针无振动准静态刺入;(2)3根微针同时以一定频率振动式刺入;(3)微针振动频率相同,但两侧锯齿微针与中间无锯齿微针的振动相位相差180◦.结果表明,第三种模式所需刺入力最小,第二种模式次之,第一种模式最大.这一研究说明振动式刺入将有利于微针的刺入,可以使刺入力显著降低.2010年6月,全球最大的血糖仪制造商LifeScan曾推出一款全新的采血针OneTouchDelica.针尖仅为33Gauge(Gauge是一个行业衡量粗细的特殊计算单位,数值越大,口径越小,33Gauge相当于180µm),比之前业界通用的采血针尖细了40%,这是一个微针原理被商业化比较成功的例子.目前人造微针就直径而言,已经比较接近蚊子口针,但是其他几个方面距离蚊子口针还相差较远.科学来讲,目前研究出来的人造微针属于微痛微针,还不能达到像蚊子口针那样无痛刺入.然而,蚊子口针无论在针尖的尖锐度、几何形状和刺入方式等都为人造微针设计提供了重要启发,随着先进微纳制造技术的不断进步,相信人造微针会越来越完善.孔祥清等基于对蚊子口针形态学和刺入机理的观察研究,发明了一种带微纳锯齿的手术刀,试验表明一定频率的振动可以使这种手术刀切割猪皮的力下降90%以上,而且还发现省力效果与振动频率密切相关.这两项工作已不仅仅是对蚊子口针形态学上仿