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仿生黏附抗菌微针新进展|南京大学赵远锦教授课题组

作者: Research编辑部

时间: 2020-06-04 11:29

微针给药是一种新兴的经皮药物递送手段。南京大学赵远锦教授团队受到自然界章鱼的吸盘结构、贻贝的黏附原理和多黏菌的竞争生存特点的启发,通过模板复制的方法制备了一种具有干湿黏附性的抗菌微针,并将其用于可穿戴给药。

(本文经授权转载自“Research科学研究”微信公众号)

论文地址:

https://spj.sciencemag.org/research/2020/3672120/

研究背景

微针可以在几乎不接触毛细血管和神经末梢的情况下穿透皮肤,为药物递送提供了一种无痛、微创、有效的方式。近年来,各种类型的微针被开发出来,例如硅微针、玻璃微针、水凝胶微针等。其中,水凝胶微针因其良好的生物相容性、较高的载药量和持续释药能力而发挥着不可或缺的作用。然而,由于大多数水凝胶微针容易从皮肤上脱落,因此微针的使用高度依赖于医用胶带等辅助用具。这种较差的黏附能力限制了水凝胶微针的许多实际应用,特别是在灵活度高、运动范围大的身体部位如关节的应用。此外,水凝胶微针良好的生物相容性增加了其染菌的可能,这不仅给微针的储存和使用带来不便,也增加了皮肤感染的风险。因此,开发具有更好黏附性更强抗菌能力的水凝胶微针仍然备受期待。

研究现状及展望

最近,受到自然界中贻贝和章鱼的黏附本领以及多黏芽孢杆菌能分泌抗菌多肽抗菌的启发,赵远锦教授团队将章鱼触手的吸盘微结构引入微针基底,以聚多巴胺凝胶作为基底材料并在微针中掺杂来自于多黏芽孢杆菌的抗菌肽——多粘菌素,开发了一种具有黏附、抗菌能力的多功能柔性微针,如图1所示。得益于其柔性的基底,该微针可以很好地适应皮肤表面;得益于其基底的聚多巴胺凝胶材料和包围着微针针尖的吸盘状微结构,该微针在干湿环境下均可以牢牢黏附在皮肤上,并具有自修复特性。该微针的结构如图2所示。

图1 具有黏附抗菌功能的仿生多功能微针的示意图

图2 仿生微针的表征

此外,由于多粘菌素被装载在微针的针尖和基底中,该微针对革兰氏阴性菌具有光谱的抗菌作用,有利于其保存和使用。为了证明该微针的抗菌特性,团队成员将其和大肠杆菌共培养,发现杀菌效率在90%以上,如图3所示。此外,这种微针的生物安全性也被进一步验证。将载有不同浓度多粘菌素的微针和成纤维细胞共培养,并用MTT测试了培养后细胞的活性,结果显示,和对照组相比,6组实验组细胞的存活率均在85%以上。

图3 仿生微针的抗菌效果和生物安全性

随后,研究团队选择大鼠关节炎模型,对这种微针载体的药物递送能力进行了证明。通过关节制动,建立了具有膝关节炎的大鼠模型。这些大鼠被分为三组,其中两组分别接受空微针和载药微针的治疗,剩余一组不接受任何治疗,作为对照组。结果显示,经载药微针治疗后,大鼠膝关节的肿胀程度、炎症程度都得到很好缓解;组织切片也显示出载药微针治疗后关节切片的潮线更清晰,细胞结构紊乱程度和纤维化程度均降低,如图4所示。这些结果证明了这种微针作为经皮药物递送载体的实际价值。

图4 仿生微针治疗大鼠关节炎的效果图

借助其黏附、抗菌等能力,这种多功能仿生微针得以长时间、可持续地将药物输送到高度灵活的身体部位(关节、手、腿等),在透皮给药装置、可穿戴生物医学系统等领域具有广阔的应用前景。

作者简介 

赵远锦,南京大学/鼓楼医院教授,博导,国家科技领军人才,国家优青,江苏省杰青,英国皇家化学会(RSC) Fellow。2013年入选教育部“新世纪优秀人才支持计划”、江苏省“六大人才高峰”资助计划;2014年获“江苏省杰出青年基金”;2015年破格晋升为研究员、特聘教授,获“国家优秀青年基金”、“中国化学会青年化学奖”;2016年入选“江苏省333高层次人才培养工程”;2017年入选“中国新锐科技人物”;2018年入选英国皇家化学会(RSC)的Fellow、科技部中青年科技领军人才;2019年入选国家科技创新领军人才;2020年获“中国化学会-杰出青年科学家奖”,并全职到南京大学/鼓楼医院工作。现在的主要研究方向有生物材料与组织工程、仿生器官与器官芯片、微流控等。已发表SCI论文220余篇,其中80余篇发表于IF大于10的国际权威期刊,论文IF之和约2000,被引用7000余次(H因子为45);第一作者/通讯作者论文包括7篇Nature / Science子刊、3篇PNAS、16篇Adv.Mater. / JACS / Angew以及Chem.Rev. / Chem.Soc.Rew. / Accounts等;研究成果共申请专利102项,获授权41项,转让2项。

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