一种高分子微针及其制备方法和应用与流程

本发明涉及给药装置，具体地说涉及一种用于生物大分子透皮递药的高分子微针及其制备方法和应用。

背景技术：

近年来，生物大分子药物取得了突飞猛进的发展，2006年全球前100畅销药物中只有24中大分子药物，然后到了2016年，这个数字增长到47种。2015年畅销药物前十名中，生物大分子药物更是占到了8个席位。最常用的生物大分子药物的递送方式是注射给药，包括静脉注射和皮下注射，但是注射给药通常需要医生的监护，产生较大的痛感，病人依从性较差，存在感染风险等。

生物大分子药物的非注射给药方式近些年来受到广泛的关注，目前已报道的的方式包括鼻腔给药、肺部给药、口服给药、透皮给药等。常见的大分子药物例如多肽和蛋白质，他们的分子量往往是几千至几十万，分子直径1至100纳米不等，因而很难像小分子药物一样通过扩散透过组织表层进而被吸收利用。非注射给药方式包括透皮给药，最大的挑战在于如何提高药物的生物利用度。

近年来微针透皮给药取得了巨大的进展，微针可以通过刺穿表皮角质层，创造出微纳米孔道利于药物进入到真皮和皮下组织，进而通过毛细血管被吸收来提高生物利用度。常见的微针有金属，硅和高分子等多种材质，根据不同材质利用相应的加工方法制成，包括微纳米加工，金属模板加工，气体等离子体刻蚀加工等方法，但是以上各种方法往往具有加工精度低、成本高、加工工序繁琐、难以大规模生产等局限性。

另一个生物大分子药物递送的挑战是如何递送大剂量的药物并保持其生物活性。相较于小分子药物，大分子药物，尤其是抗体和荷尔蒙类药物，往往需要递送较高剂量(微克至毫克量级)的药物以达到预期的治疗效果。由于绝大多数生物大分子药物在体内外的不稳定性，较高浓度或较高剂量的药物难以负载再常规的高分子微针之上。同时为了保证负载的生物大分子药物的生物活性，需要对微针结构进行精细地设计和优化。

技术实现要素：

本发明就是为了解决现有微针不易制备及给药效果不理想的技术问题，提供一种结构合理、给药效果好且易制备的高分子微针及其制备方法和应用。

为此，本发明提供一种高分子微针，高分子微针设有基底，基底上设有针体，针体上设有纳米涂层；基底和所述针体由高分子材料和引发剂的混合物制成；纳米涂层由高分子材料构成。

优选的，针体形状为圆锥形、类圆锥形或多角锥形，针体的整体高度为100-2000μm，针体的底部直径为100-1000μm；基底的边长或直径为1-100mm，针体集成阵列位于所述基底，阵列规格为1mm×1mm-1000mm×1000mm，针体的针尖间距为100-5000μm。

优选的，高分子材料为光引发聚合单体，其为三甘醇二丙烯酸酯、三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯、季戊四醇二丙烯酸酯、不同分子量的聚(乙二醇)二丙烯酸酯中的一种或几种。

优选的，引发剂为光引发剂，其为2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、苯二酚(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-氧化膦、2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙中的一种或几种。

本发明同时提供了高分子微针的制备方法，其包括如下步骤：(1)将光引发聚合单体和引发剂按一定质量比(范围为100：(0.1-20))混合，将其倒入立体光刻3d打印的墨盒中；(2)将设计好的高分子微针结构输入3d打印机中，开始打印；(3)待打印结束，取出样品，移除表面的溶液：(4)将样品至于紫外灯下后处理10-30分钟；(5)在高分子微针表面修饰纳米涂层。

优选的，步骤(5)包括如下步骤：在洁净的高分子微针表面上滴加高分子涂料溶液，待溶液均匀铺满微针表面后，移除表面多余溶液，将高分子微针放置于-80℃超过2小时；将高分子微针浸没于环己烷溶剂中，10分钟后将其取出，真空处理1-4小时。

优选的，高分子涂料溶液为聚乳酸、聚丙烯晴、明胶、尼龙的一种；所述的涂料溶液的溶剂为四氢呋喃、甲醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜的一种。

本发明同时提供高分子微针在递送生物大分子药物中的应用。

优选的，生物大分子药物为甲状腺旁素、胰岛素、肉毒杆菌、干扰素、单克隆抗体、胶原蛋白、肝素、透明质酸、明胶以及组织生长因子中的一种或几种。

优选的，高分子微针在递送生物大分子药物中的应用，包括如下步骤：(a)将洁净干燥的具有纳米涂层的高分子微针浸没于生物分子水溶液中，室温下置于摇床上1-4小时；(b)移除表面多余溶液，将高分子微针放置于冻干机中，处理1-5小时；(c)干燥过的成品低温密封保存备用。

本发明所述的高分子微针由于具有表面纳米涂层，能够大幅的提高生物大分子药物的负载量并能够长时间在保持其生物活性；通过调节涂层的制备参数和工艺，可以设计出不同负载量和不同释放速率，用于活性生物大分子药物的控制释放。另外针体由生物相容性高分子制成，进入皮下组织无毒副作用，同时避免了金属、玻璃、硅等其他材质微针可能的断针的风险。本发明所述的3d打印制备高分子微针的工艺方法相对于已有的制备方法，具有工艺条件简单，加工快速，精度高等优势，适合于大批量生产，能够广泛的应用于透皮递药领域。

附图说明

图1为本发明高分子微针制备流程图；

图2为本发明高分子微针明场光学显微镜图；

图3为本发明高分子微针电子显微镜；

图4为本发明高分子微针药物(甲状旁腺素)负载量图；

图5为本发明高分子微针药物(甲状旁腺素)体外药物释放曲线图；

图6为本发明高分子微针负载的药物(甲状旁腺素)室温的生物活性；

图7为本发明高分子微针体外大鼠皮肤测试图；

图8为本发明高分子微针处理过的大鼠皮横截面的染色切片图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，本领域的技术人员容易理解，实施例所描述的内容仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权力要求书中所描述的本发明。

本发明中所用的立体光刻3d打印机设备包括projet1200、projet6000hd、formlabsform2、dwslabxfab。

实施例1：3d打印法制备高分子微针

将光引发聚合单体(本实施例以聚(乙二醇)二丙烯酸酯(550分子量)为例，但不限于此。其他单体可选自三甘醇二丙烯酸酯、三环癸烷二甲醇二丙烯酸酯、季戊四醇二丙烯酸酯、不同分子量的聚(乙二醇)二丙烯酸酯中的一种或几种)和光引发剂(本实施例以苯二酚(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-氧化膦)为例，但不限于此。其他光引发剂可选自2,2-二甲氧基-2-苯基苯乙酮、苯二酚(2,4,6-三甲基苯甲酰基)-氧化膦、2-羟基-4'-(2-羟基乙氧基)-2-甲基苯丙中的一种或几种)按照一定质量比(本实施例以100：1为例，但不限于此。光引发聚合单体和引发剂按质量比范围包括100：(0.1-20))进行混合，充分搅拌后得到澄清透明液体，将该液体倒入projet12003d打印机的墨盒中。在电脑上设计并输入高分子微针阵列的形状参数，启动3d打印机打印出所设计的微针。打印完成后，用异丙醇冲除去表面剩余液体。将干洁的微针置于紫外灯下10分钟，使其充分交联。反应结束后，真空烘干高分子微针(图1)。使用光学显微镜观察形态完好，制成精度高的高分子微针(图2)。

实施例2：纳米纤维的表面修饰

以聚左乳酸/四氢呋喃溶液实例说明纳米纤维的表面修饰方法，但本方法应用的高分子涂料溶液不仅限于聚左乳酸/四氢呋喃溶液，还包括其他类高分子涂料溶液，例如溶质包括聚乳酸、聚丙烯晴、明胶、尼龙的一种；溶剂包括四氢呋喃、甲醇、二甲基甲酰胺、二甲基亚砜的一种或几种的高分子溶液。配置2％质量分数的聚左乳酸/四氢呋喃溶液，充分溶解后得到澄清透明液体。在洁净的高分子微针表面上滴加聚左乳酸溶液，待溶液均匀铺满微针表面后，移除表面多余溶液，将高分子微针放置于-80℃冰箱中4小时。之后将高分子微针浸没于环己烷溶剂中，10分钟后将其取出，真空干燥处理4小时。使用高倍电子显微镜观察高分子微针表面上的均匀的纳米纤维涂层(图3)。

实施例3：生物大分子药物的装载和释放曲线

以甲状旁腺素为例介绍生物大分子药物的装载方法，但本方法应用的生物大分子药物不仅限于甲状旁腺素，还适用于其他类生物大分子药物，例如甲状腺旁素、胰岛素、肉毒杆菌、干扰素、单克隆抗体、胶原蛋白、肝素、透明质酸、明胶以及组织生长因子中的一种或几种。

甲状旁腺素(pth)是美国食品和药监局唯一批准的用于骨质疏松治疗的大分子多肽类药物。目前的治疗方案是每日皮下注射pth来治疗骨质疏松症。本发明将使用高分子微针作为一种无痛方便的治疗方案来递送pth。将洁净干燥的具有纳米涂层的高分子微针浸没于pth溶液中(1％质量分数)，室温下置于摇床上4小时。移除表面多余溶液，将高分子微针放置于冻干机中，处理5小时。将干燥的成品低温密封保存备用。作为比较，没有纳米涂层的高分子微针也是用上述同样的方法来装载pth。

具有纳米涂层的高分子微针和没有涂层的高分子微针在药物装载量和药物释放曲线这两个重要的方面进行比较。将两组样品置于同样体积的磷酸盐缓冲生理盐水(pbs)中，在设计好的时间点收集溶液样品，之后使用酶联免疫吸附试验(elisa)来测量溶液中所释放出的pth的含量，进而得到药物负载量(图4)和药物释放曲线(图5)。数据显示具有纳米涂层的高分子微针比没有涂层的高分子微针多负载18.6倍的pth，同时实现了长达150小时的连续缓慢释放。

使用pth活性细胞测试阵列，该高分子微针可以在室温下有效地保存高达90％的负载的pth的生物活性长达6个月之久(图6)。

实施例4：高分子微针的皮肤测试

将制备好的高分子微针轻按压在大鼠的背部皮肤上，5分钟后移开微针，可以观察到微针的痕迹(图7)。苏木精-伊红染色组织染色切片(图8)清楚地显示高分子微针阵列可以有效的刺破表皮，进入到真皮层，可以用来实现高效的透皮递送大分子药物。