近年来，透皮微针 (MN) 技术因便捷、微创、高效等优点，已成为精准医疗研究的热门工具，广泛应用于胰岛素递送、免疫治疗、疫苗递送、采样和避孕等研究中。微针贴片（MNs）因无痛、微创、能增强药物渗透性、提高生物分子在表皮和真皮层的可检测性等优点，广泛应用于疾病诊断、组织修复与再生等生物医学领域。基于水凝胶的微针因其具有给药方便、通透性高，毒副作用低等优点，被广泛应用于采样、药物负载与递送等领域。但MNs在使用过程中也存在部分问题，如力学性能欠佳、载药率低、生物相容性差等，因此需要根据多种评价指标综合评估MNs的理化生物性能，以满足试验要求。
本期医疗器械设备展分享整理了MNs的理化生物性能评价手段，以便于筛选合适的MNs用于后续研究。
01
几何形状
图1 MNs常用术语[1]
MNs的针尖尺寸、几何形状、针尖阵列数等因素都会影响微针的力学性能，可通过视觉检查、立体显微镜和扫描电子显微镜（SEM）等手段可视化微针的几何形状。
Aoyagi等[2]系统探索了针尖几何形状（针尖角度、宽度）对MNs插入组织过程力学性能的影响。结果表明，具有低尖端角(15-30°)和细针轴(120 μm)的MNs可以有效地增强微针的插入，而不会导致失效。
图2 MNs插入引起的应力分布的有限元模拟结果。(a)尖端角与应力的关系。(b)宽度与应力的关系[2]
微针本身的几何形状已被证明会影响插入行为。Bediz等人[3]研究表明，因锥体微针插入力随深度的增加而增加，相比之下，方尖碑设计的固体微针在更深、可重复插入方面更有效。
图3 (a)微针的参数化几何。(b)本研究考虑的三种形状[3]
02
力学性能
皮肤的粘弹性会降低微针的穿透力，MNs必须具有足够的机械强度才能穿透皮肤。研究表明，微针进入皮肤屏障所需的插入力约为0.098 N/针，以穿透角质层[4]。因此，将强度试验与插入试验相结合，对评价微针的穿透力具有重要意义。
评价微针机械强度最常用的试验是轴向压缩试验或微针失效试验[5]。
测试方法：一个微针阵列连接到一个测试探针，然后将微针以预定的速度压在一个扁平的铝金属块上，直到在力-位移曲线上记录一个最大峰值。这也被称为微针的断裂力。此外，微针的脆性也可以从力-位移斜率的梯度来评估。
图4 (A) Ca2+/Alg-Mal 微针在0~1000 g抗重量范围内的形态。(B) 不同微针贴片的压缩试验[6]
在每次机械压缩测试后，需对微针进行视觉直观检查，以评估微针在压缩测试过程中可能产生的任何变形(如屈曲或弯曲)。压缩试验是为了确定微针在变形前所能承受的机械强度。
03
插入行为
MNs必须保持完整形貌，且有效插入组织中，才能高效发挥作用，因此需对MNs进行插入研究。由于皮肤固有的粘弹性特性，整个微针长度的完整插入是很难实现的。微针插入深度分为真实深度和估计深度两类。
测定真实深度：共聚焦显微镜，X射线传输计算断层扫描、光学相干断层扫描(OCT)等。
测定估计深度：组织学切片、染色等。
图5 MNs插入后位置可视化结果。（a）皮肤横切面后显微镜观察微针插入部位。（b）插入皮肤后将磺基罗丹明B沉积到皮肤，通过荧光显微镜观察微针插入部位。（c）荧光显微镜显示含有FITC -右旋糖酐的微针插入位点[1]
04
皮肤刺激
MNs插入过程中最常见的副作用包括在应用部位出现轻微和短暂的红斑、水肿、焦痂等。微针的尺寸、原材料以及微针递送的药物或治疗类型，都可能致使副作用的产生。因此，需对MNs作用后的皮肤刺激响应进行研究评估。在MNs应用期间或使用后，可通过皮肤观测仪或立体显微镜观察，有助于识别任何局部红斑和刺激迹象。想要了解更多医用部件企业，医疗器械设备展Medtec China现场预计将汇集800+国内外领先医疗器械研发设计企业，21大品类展品覆盖全产业链。
表1 Kusamori等人[7]用于量化皮肤刺激程度的Draize法分级量表
05
透皮失水
通常在微针插入试验的基础上进行透皮失水(TEWL)测量，可评估微针应用于皮肤屏障后的完整性效果。微针成功插入皮肤后会损害皮肤屏障功能，这反映在水分流失测量的增加。随着皮肤的弹性，微针孔重新密封，水分流失测量值会随着时间的推移慢慢降低。
图6 经不同长度MNs处理的皮肤样品(330 m厚)的水分流失与时间曲线[8]
06
药物递送
弗朗茨扩散池是研究微针增强药物真皮渗透最常用的体外方法。
原理：这些扩散池包含供体室和受体室，由膜(通常是离体的人或动物皮肤，或人工聚合物膜)隔开。含有感兴趣渗透剂的配方通常被引入供体隔室，通过所选择的膜扩散到受体隔室。随后用高效液相色谱(HPLC)等分析技术对扩散到受体室的渗透液进行分析。扩散池通常分为静态(Franz型)和流动(Bronaugh型)两种类型。医疗器械设备展Medtec China中亮相的过滤器和静脉注射产品供应商，包括颇尔药液/疏水呼吸通路过滤器、疏水性混合纤维素膜、自排气精密过滤器、4TipTM 系列吸头滤芯、血液透析器封装系统、鲁尔接头、微流量调节器等。点击快速预登记。
图7 用于研究皮肤渗透的扩散细胞类型。(a)垂直静态扩散池。(b)并列静态扩散池。(c)流通池[1]
与传统的体外弗朗茨池渗透研究方法相比，微针通常先应用于皮肤，然后将供体室安装到受体室上。
图8 使用特制的Franz扩散池进行体外透皮给药实验的详细过程示意图[9]
07
生物安全性
制备MNs所使用的原料必须无毒无害，不会引起机体的免疫排斥等副反应。MNs过程中和使用后，不会对机体产生细胞毒性、血液毒性以及组织器官毒性，可分别通过相关手段（活/死细胞染色、溶血实验、心/肝/脾/肺/肾等组织器官切片观察等）检测MNs的安全性能。
图9 GelMA基MNs的生物相容性结果图[10]
来源：EngineeringForLife