无线供电近红外光药物负载微针系统治疗线性皮肤创伤的研究报告

研究的主要作者及机构信息

本文题为《Wireless power supply near-infrared light drug-loaded microneedle system for the treatment of linear skin wounds》。主要作者为Xiaoning Zhang、Jingxian Zhu、Xiaoya Kang等，分别隶属于北京化工大学机电工程学院和北京大学第三医院运动医学研究所。此研究发表于《Chemical Engineering Journal》，文章已在线可见的发布日期为2024年11月2日，DOI为：https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157110。

研究背景与目的

科学领域与问题来源

本文属于皮肤创伤修复与再生医学领域。线性皮肤创伤（linear skin wounds）的愈合是一个复杂的生物学过程，涉及多种细胞类型、细胞信号通路以及生长因子的交互作用。然而，当前的治疗技术（如药物治疗、物理治疗、手术干预等）存在药物生物利用度低、治疗周期长、易形成瘢痕等诸多限制（文献支持[6]-[11]）。

前期研究与创新点

随着生物材料科学与生物医学工程的快速发展，新型治疗方式——微针（microneedles, MNs）的出现，因其无痛、非侵入性特点获得极大的研究关注。微针能穿透皮肤角质层屏障以实现高效药物递送，同时还易降解和低毒。传统中药有效成分——三七皂苷R1（notoginsenoside R1, NG-R1），已被证明具有抗炎、抗氧化及促进血管生成等多种药理活性，有望成为伤口修复的有力辅助。此外，近红外光（near-infrared light, NIR）因其较好的组织穿透能力和生物相容性，也在促进伤口愈合方面表现出巨大潜力。

研究目标

针对线性皮肤创伤缺乏高效低副作用治疗手段的问题，本研究提出并开发了一种无线供电近红外药物负载微针系统（NIR-LED-NG-R1-MN）。该系统的设计目标是通过微针实现精准药物运输，以三七皂苷R1（NG-R1）与近红外光（NIR）的生物调控叠加协同治疗（synergistic treatment）为核心，旨在高效提升皮肤创伤的愈合效率并降低形成瘢痕的风险。

研究流程与方法

实验流程与设备构建

研究及其实验流程分以下几部分展开：

(1) 微针系统的设计与制备

整体设备设计分为四部分：溶解型微针(loaded with NG-R1)、PDMS薄膜、用于固定的HEMA光固化层，以及近红外LED光面板。无线充电功能基于电磁感应原理，通过发送端和接收端的线圈形成电流来点亮光板。微针的制作则使用了分步铸造法和薄膜粘附法，包括： 1. 以PVP和PVA构成基质，通过添加NG-R1溶液进行赋药； 2. 用PDMS薄膜覆盖后续使用光固化层将LED光板与微针贴合固定。 微针基本尺寸为每片直径17.5 mm、高度2.7 mm，包含385根形态一致、尖锐无破损的锥形针尖（针长700μm，底部长400μm，针尖间距800μm）。

(2) 性能优化与光/药物递送能力测试

为了增强治疗便捷性，采用无线供电技术优化近红外光输送系统。其发光板在电磁线圈8 cm高度范围内输出功率稳定，最大功率达2.121 W，亮度为40.36 lux。实验还测试了其光传递性能，通过合成皮肤模型验证，光源从肌层呈现显著扩散效果。

药物递送性能检测则从两个方面展开： 1. 微针穿透能力：通过动物体表和切片检测，发现微针不仅能刺穿黏膜层，还能形成深度约200–300μm的微通道。 2. 药物释放能力：实验显示NG-R1微针在37°C下20分钟内即可实现完全释放。

(3) 生物兼容性与安全性能评估

细胞毒性通过CCK-8试剂盒进行检测，细胞活力保持在80%以上；溶血实验表明，即使用药浓度达960 μg/ml，微针的溶血率仍低于阳性对照。在小鼠实验中发现微针引发的微型皮肤穿孔处无需显著肿胀或出血，30分钟内即可恢复原状，验证了设备的生物安全性及相容性。

(4) 动物模型与治疗实验

在线性伤口治疗中，以ICR小鼠为实验对象建立线性皮肤创伤模型，分为Sham组、MN组、MN@LED组、MN@NG-R1组以及MN@NG-R1@LED组等六组，每组样本大小为5。实验采用每天一次的20分钟微针治疗方案，共持续5天。

主要研究结果

系统性能与实验验证结果

1. 设备无线供电能力：在长时间测试（96小时）中，系统保持环境工作温度在22–24°C范围，亮度非常稳定。
2. 药物和光递送能力：实验验证微针在表皮穿透及角质层以下的药物递送效果显著；同时，其NIR光的高效传递模拟表明能深入皮肤组织进行治疗。
3. 生物兼容性与安全性能：均未观察到皮肤炎症或过敏，并表现出较低的细胞毒性与极低的溶血率。

线性创伤治疗效果

1. 治疗组中，MN@NG-R1@LED组在伤口愈合速度和抗炎效果上明显优于其他组。相比对照组，其提早显现新生组织生成，无明显瘢痕迹象；而MN@NG-R1组次之，后续为MN@LED和MN单独治疗组。
2. 炎性因子检测：MN@NG-R1@LED组中炎症因子（IL-1、IL-6 和 TNF-α）恢复至接近健康对照水平，其协同治疗效果最佳。
3. HE与Masson染色进一步验证：在伤口组织结构层面，MN@NG-R1@LED组的新生胶原纤维更加密集、有序且细腻，有利于瘢痕的无痕修复。

总结与意义

本文在生物材料和药物递送领域提出了一种创伤治疗的新方法——无线供电近红外光药物负载微针系统（NIR-LED-NG-R1-MN），并通过实验验证其稳定性、安全性及治疗效果。该系统不仅显著提升了药物递送效率，还首次在体内实现了NG-R1与NIR光的协同疗效。这一技术在临床应用方面具有如下重要意义： 1. 科学价值：系统展示了传统中药活性成分与先进光疗技术结合的协同增效模式，为细胞水平、组织修复与智能材料创新提供了新思路。 2. 临床潜力：具备无线供电、定位精准、瘢痕少的特点，可应用于表皮创伤、烧伤治疗甚至癌症管理等多个医疗场景。

研究亮点

• 有效集成了NG-R1药物递送与NIR光生物调控机制；
• 提出并实现“无外部电源”的光疗微针修复技术；
• 基于综合测试和多重实验证明，具有生物相容性及安全性；
  
• 无需术后固定充电设备，设备设计灵活便携。

展望与挑战

尽管设备在动物实验中表现突出，但仍面临从实验室向临床过渡的挑战，包括长期使用的安全性验证、全尺寸人体模型测试和必要临床试验等。在微针尺寸、药物赋予及光源集成优化后，该设备潜在应用于癌症、脱发治疗等领域，开创伤口疗法新契机。