《ADVANCED FUNCTIONAL MATERIALS》：4D打印倒刺微针阵列增强组织粘附力

Rutgers University的Howon Lee团队联合University of Pisa的Giuseppe Barillaro团队利用投影式光固化技术设计了一种具有仿生倒钩结构的高组织粘附力微针，微针上的倒钩通过利用光固化聚合物中的交联密度梯度的去溶剂化诱导变形实现制造，倒钩的厚度和弯曲率通过调节打印参数和材料组成控制。相关论文“4D Printing of a Bioinspired Microneedle Array with Backward-Facing Barbsfor Enhanced Tissue Adhesion”发表于Advanced Functinal Materials杂志上。

皮下注射针被广泛用于药物注射和体液采集，但它们在刺入过程中会带来明显疼痛，不适合长时间给药。此外，需要经过专业培训才能正确使用，并且由于会造成组织上的大穿刺，也存在潜在的感染风险。微针作为一种无痛的给药方式，同时有助于减轻感染风险。然而，通过 MNs 进行长期和控释的药物递送仍然具有挑战性，主要是因为传统的微针制造方法（如微成型、激光切割和光刻技术）通常产生的是光滑和平坦的锥形MNs，导致其组织粘附力弱。

受自然界生物中具有高组织粘附力的微观结构的启发，作者提出了一种4D打印方法，即3D打印结合形变。该法基于数字光处理3D打印技术——投影微立体光刻(PμSL)，同时利用打印过程中导致的交联密度梯度对倒刺进行程序化形变，将第四维引入3D打印技术，被称为“4D打印”。有了这个新的维度，3D打印的物体就拥有了在外界刺激 (如光、热、电、磁场等) 的影响下自行改变形状的能力。

自然界生物中具有高组织粘附力的微观结构：寄生虫的膨胀的喙、蜜蜂和豪猪的倒刺

3D打印与4D打印的异同

作者采用PEGDA 250 (Mn ≈ 250)作为光固化聚合物，819为光引发剂（PI），苏丹 I为光吸收剂（PA）制备得到了生物墨水。打印得到的长度为4mm的MNs可以安全地作为锚定在真皮内的MN，保留了MN相对于传统皮下注射针头的所有优点。

由于3D打印逐层打印的特点，每一层必须有前一层作为支撑，为了克服这一挑战，制造具有背向倒刺的 MNs，作者采用4D打印方法将打印得到的水平倒刺进行变形。

固化时紫外光聚焦在溶液表面，并逐渐向内传播，同时光强也逐渐减弱，从而产生交联密度梯度，即表面高度交联，而内层交联较低。因此，底部溶液中有的单体是不会发生交联的。

打印过程中，倒钩保持水平。打印后将 MNs 浸入乙醇中进行冲洗，则倒钩底部未固化的单体发生扩散，在交联网络中留下松散的空间。

当 MNs 干燥时，倒钩底部收缩导致下弯，最后用紫外光整体照射就可以固定倒钩的形状。

仿生微针的组织粘附主要由朝后的弯曲倒钩决定。因此作者研究了光照时间（固化时间）和前驱体溶液的材料组成对倒钩厚度和弯曲曲率的影响。

无论PI和PA浓度如何，厚度都随着固化时间的增加而增加。此外，厚度随着PI浓度的增加和PA浓度的降低而增加。由于随着光能增加、前驱体溶液的反应性增强（即光引发剂浓度升高）层内交联密度更加均匀，弯曲曲率随之减小。相反，曲率随着光吸收剂浓度的增加而增加，原因是高PA会导致光衰减加快，从而导致更高的交联梯度。这些结果表明，作者的 MNs 制造方法能够控制倒钩最终尺寸和几何形状，从而决定 MNs 的组织粘附性能。

 显示了所有倒钩的厚度和曲率之间的关系（图 D）。作者假设具有较高曲率的倒钩将与组织具有更高的互锁性，从而施加更高的粘附力。较厚的倒钩也会导致更高的粘附力，但同时会使尖端变钝。因此他们将倒钩厚度设置为 100 μm（保持倒钩厚度与针轴宽度小于 0.5 （100：400＜0.5）可以保持倒钩为片状，同时足以穿透组织）。自然界中生物倒刺纵横比常为4~5，故倒刺长度确定为450μm（比率为4.5）。

最终，确定打印墨水内 PI 和 PA 的浓度分别为 72 mM 和 2.0 mM，固化时间为 1.1 s，该条件下倒钩的最终形状约为四分之一圆。

随后作者采用定制装置研究了 MNs 的刺入和拔出性能。

以琼脂糖凝胶模拟皮肤，在刺入阶段，随着 MNs 刺入深度增加，其承受的压缩力随之增加。当刺入停止时，由于组织模型的粘弹性松弛，压缩力开始减小。当压缩力接近0时，开始拔出，在这个阶段，MNs 和组织模型之间存在静摩擦，当 MN 开始离开组织模型时，拉力增加。在其到达一个被拉出组织模型的临界点之后，拉力下降。

作者通过观察最大拉力来判断 MNs 的粘附性能，无倒刺的 MNs 和带倒刺的 MNs 的最大拉出力分别为 0.003 和 0.016 N，表明具有后向倒刺的 MNs 需要约5倍的力才能被拉出组织模型。

为了最大限度地提高 MNs 的粘附力，作者还研究了 MNs 的几何参数对最大拉出力的影响，包括 MNs 周围的倒刺数量和沿 MNs 轴的倒刺行数。

由于每个倒刺单独与软组织互锁，因此最终的拉出力随倒刺数量线性增加，每增加一个倒刺，拉出力增量约为 0.005 N。

作者最终设计每行倒刺数量为6个，每根针的最大拉出力为0.032±0.003 N，是无倒刺 MNs 的近10倍

倒刺行数优化为5行，具有5行倒刺的MNs每根针的最大拉出力为0.054 N±0.007 N，是无倒刺 MNs 的近18倍，而刺入力仅增加了3.6倍（从0.019到0.069），表明后向倒刺可有效增强组织粘附。

拉力的增加与行数不成正比，可能由于每个 MNs 上相邻的倒刺与组织模型的不完全互锁。此外，具有多行倒刺 MNs 被拉出时，最上面的一排会损坏组织基质，使后面的倒刺更容易被拉出。

真皮是表皮和皮下组织之间的皮肤层，含有许多组织纤维。这些纤维会增强与MNs的机械互锁，因此为了模拟 MNs 在纤维组织模型中的粘附性能，作者将 2 × 2 的 MNs 阵列插入深度为 6 mm 的鸡肌肉组织中，同时以 6 mm 的相同位移移出 MNs 阵列，测量拉出力。结果显示，组织模型中纤维的存在均显著增加了无倒刺和带刺 MNs 的拉出力：带刺 MNs 的最大拔出力为每针 0.176±0.033 N，约为无倒刺MN的4倍。因此，具有后向倒刺的 MNs 在刺入实际生物组织时会表现出很高的粘附力。

当制备大面积 MNs 阵列时，所需打印区域大于一个投影区域，作者将总打印区域划分为多个子区域，每个子区域作为一个投影区域。对于每一层，在打印完一个子区域后，打印台水平移动，使得下一个子区域在打印后连接到前一个子区域。以此类推作者创建了一个 6×6 mm 的带刺 MNs 阵列。然后将 MNs 阵列刺入安装在固定板上的琼脂糖组织样品中，显示 MNs 阵列能够附着在组织模型上并承受 100 g（相当于 ≈ 1 N）的重量。

最后作者使用 2×2 的 MNs 阵列进行了透皮给药试验，采用可吸水的聚合物材料是因其允许水溶液中的小分子通过扩散进出体外。以罗丹明 B 模拟疏水性药物，研究了倒刺 MNs 阵列的载药量和释药能力。

载药方法是将微针阵列浸泡在 2 mg/ml 的药物溶液中 15h，载药结束后氮气干燥。

根据菲克第二定律，理论上，在载药时间为15h 时，MNs 中的 RhoB 浓度达到溶液浓度的99.8%，且浓度分布均匀。

随后，将负载 RhoB 的 MNs 阵列浸入 PBS 中，在不同时间点定量溶液中释放的药物。作者还以没带针尖的的扁平基底为对照，以检测从 MNs 阵列的基底中加载/释放的RhoB。

3 h 内释药总量约为 3 μg，1 min 内释药 ≈50%，100 min 内释放 90%。释药 3 h 后将 MNs 阵列过夜浸泡，发现针头中残留有 3.8±0.3% 的 RhoB，总和恰好相对于加载的全部药物。

每根针头约能释放 0.8 μg 药物，意味着可通过调整打印子区域的数量，针对不同应用加载或释放不同药量。

接下来作者使用鸡胸肉作为组织模型，上盖玻璃纸作为机械和化学皮肤屏障模型，研究了 2×2 倒刺 MNs 阵列的透皮给药，定量不同时间（即 0.5、1、3、6 和 24 h）时的 RhoB 释放量。

24h 时观察到药物累积释放量降低于 6h，作者根据回收率实验推测原因可能是随时间的延长，荧光染料在鸡肌肉中的扩散越有效，提取越困难。

作者通过 4D 打印方法，根据沿厚度的交联密度梯度，对水平打印的尖刺脱溶剂化，将其变形为弯曲的几何形状。通过控制前驱体溶液的光照时间和材料成分可以控制倒刺厚度和弯曲曲率。此外，还研究了 MNs 的几何参数对组织粘附力的影响，优化的倒刺微针的组织粘附力是无倒刺微针的 18 倍。这种增强的组织粘附性为药物输送、生物流体收集和生物传感提供了更稳定和强大的性能。最后还证明了可以使用带刺微针在组织中持续释放药物，展示了使用该创新微针控制长期药物输送的潜力。

本文转载自公众号：本草墨源

作者：张春玲｜编辑：沈子皓

文献原文：10.1002/adfm.201909197

文献链接：https://doi.org/10.1002/adfm.201909197

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