3D打印(yin)用(yong)於抗(kang)凝(ning)藥物(wu)重組(zu)水(shui)蛭(zhi)素新(xin)型微(wei)創無(wu)痛遞(di)藥系(xi)統(tong)的(de)設計制(zhi)備

復(fu)旦大學於敏教(jiao)授課(ke)題(ti)組《AJPS》：高精度(du)3D打印(yin)用(yong)於抗(kang)凝(ning)藥物(wu)重組(zu)水(shui)蛭(zhi)素 (r-hirudin) 新(xin)型微(wei)創無(wu)痛遞(di)藥系(xi)統(tong)的(de)設計制(zhi)備

抗(kang)凝(ning)治療通(tong)常(chang)被用(yong)作心腦血管疾(ji)病治療的(de)首.選策(ce)略(lve)，且(qie)此(ci)類(lei)患者大多(duo)需要長期(qi)甚(shen)至(zhi)終身服(fu)用(yong)抗(kang)凝(ning)藥物(wu)。直(zhi)接口服(fu)抗(kang)凝(ning)劑有(you)導致(zhi)胃(wei)腸(chang)道(dao)出血的(de)風(feng)險(xian)，尤其是對於有(you)胃(wei)腸(chang)道(dao)疾(ji)病如(ru)胃(wei)腸(chang)道(dao)潰瘍的(de)患者，這(zhe)種出血是致命的(de)。皮下(xia)或靜(jing)脈註(zhu)射(she)給(gei)藥(yao)或可(ke)規避(bi)胃(wei)腸(chang)道(dao)出血的(de)風(feng)險(xian)，但(dan)是註(zhu)射(she)給(gei)藥(yao)需專(zhuan)業(ye)人(ren)員(yuan)輔(fu)助，這(zhe)對長期(qi)用(yong)藥的(de)患者而(er)言(yan)極(ji)其不(bu)便(bian)，註(zhu)射(she)引起(qi)的(de)疼(teng)痛(tong)亦會導致(zhi)患者用(yong)藥依從(cong)性較(jiao)差。此(ci)外，皮(pi)下(xia)註(zhu)射(she)抗(kang)凝(ning)劑還會導致(zhi)皮(pi)下(xia)出血淤(yu)青，增(zeng)加感(gan)染(ran)風(feng)險(xian)，給(gei)抗(kang)凝(ning)藥物(wu)臨床(chuang)應(ying)用(yong)帶來(lai)了很的(de)不(bu)便(bian)。透皮給(gei)藥(yao)作為(wei)壹(yi)種(zhong)前瞻性給(gei)藥(yao)策(ce)略(lve)，可(ke)以補(bu)充(chong)註(zhu)射(she)和(he)口服(fu)給(gei)藥(yao)的(de)局(ju)限(xian)性 (圖1)。
 

圖1. 臨床(chuang)抗(kang)凝(ning)藥物(wu)給(gei)藥(yao)方式(shi)及(ji)不(bu)良反(fan)應(ying)

微(wei)針 (Microneedle，MN) 作為(wei)微(wei)米級(ji)的(de)微(wei)創設(she)備，可(ke)通過破壞(huai)皮膚(fu)最外層(ceng)角(jiao)質(zhi)層產(chan)生(sheng)短暫的(de)疏水(shui)性毛(mao)孔，將(jiang)治療藥(yao)物(wu)輸送至(zhi)表(biao)皮(pi)中(zhong)，被認為(wei)是最有(you)前途的(de)透皮(pi)給(gei)藥(yao)系統之壹(yi)。目前，微(wei)針的(de)制(zhi)備主(zhu)要通過微(wei)模(mo)型澆(jiao)鑄(zhu)法(fa)，但(dan)是用(yong)於微(wei)模(mo)型制(zhi)備的(de)方法(fa)大多(duo)局(ju)限(xian)於光刻或者(zhe)化(hua)學蝕(shi)刻，工藝復(fu)雜、周期(qi)長(chang)且成(cheng)本高，限(xian)制(zhi)了微(wei)針的(de)多(duo)樣(yang)性和個(ge)性化(hua)發展。高精度(du) 3D 打印(yin)是近(jin)年(nian)來(lai)新(xin)興(xing)的(de)壹(yi)種(zhong)微(wei)模(mo)型制(zhi)備方法(fa)，由於該(gai)法(fa)簡單高效且(qie)成(cheng)本相(xiang)對較(jiao)低(di)，已(yi)廣泛(fan)應(ying)用(yong)於生(sheng)物醫(yi)藥(yao)的(de)各(ge)領域，為(wei)微(wei)針陣列(lie)模(mo)型的(de)設計制(zhi)備提供(gong)了新(xin)的(de)選擇(ze)。

圖2.微(wei)針陣列(lie)模(mo)型的(de)設計與打印(yin) A. 1#微(wei)針陣列(lie)模(mo)型的(de)計算機模(mo)擬(左(zuo))、打印(yin)預覽(中(zhong))及(ji)3D 打印(yin)微(wei)針的(de)長度(du)(右)；B.2#微(wei)針陣列(lie)模(mo)型的(de)計算機模(mo)擬(左(zuo))、打印(yin)預覽(中(zhong))及(ji)3D 打印(yin)微(wei)針的(de)長度(du)(右)；C.設計模(mo)型和(he)打印(yin)模(mo)型對比

近(jin)期(qi)，復(fu)旦大學代(dai)謝(xie)分(fen)子醫(yi)學教(jiao)育(yu)部重點(dian)實驗室(shi)於敏教(jiao)授團隊聯合復(fu)旦大學藥(yao)學院(yuan)沈騰(teng)老師(shi)提出了(le)壹(yi)種(zhong)基於 3D 打印(yin)技(ji)術的(de)微(wei)模(mo)型制(zhi)備方法(fa)。該(gai)團隊利(li)用(yong)新(xin)型超高精度(du) 3D 打印(yin)技(ji)術 (nano Arch P140，摩方精密) 實現了個性化(hua)設計的(de)微(wei)針陣列(lie)模(mo)型的(de)制(zhi)備，並(bing)通(tong)過開(kai)發壹(yi)條(tiao)新(xin)的(de)模(mo)型復(fu)刻工藝成(cheng)功(gong)制(zhi)備了基(ji)於 3D 打印(yin)模(mo)型的(de)微(wei)針模(mo)具(ju)，最終制(zhi)備了 r-hirudin 新(xin)型微(wei)創無(wu)痛遞(di)藥系(xi)統(tong)。該(gai)方法(fa)成(cheng)功(gong)解決(jue)了(le)以(yi)光敏樹(shu)脂(zhi)為(wei)打印(yin)材料(liao)的(de)微(wei)針陣列(lie)表(biao)面(mian) PDMS 無(wu)法(fa)固化(hua)導致(zhi)的(de)模(mo)型翻(fan)制(zhi)問題(ti)，同時進壹(yi)步(bu)拓(tuo)展(zhan)了(le) 3D 打印(yin)在(zai)微(wei)針陣列(lie)設(she)計制(zhi)備領域的(de)應(ying)用(yong)。利(li)用(yong)高精度(du) 3D 打印(yin)制(zhi)備的(de)微(wei)針陣列(lie)擁有(you)較(jiao)高的(de)分(fen)辨率(lv)，打印(yin)的(de)微(wei)針形貌特(te)征保(bao)留完整(zheng)、尺(chi)寸均(jun)壹(yi)，為(wei)載藥(yao)微(wei)針的(de)定(ding)性與定(ding)量(liang)分(fen)析(xi)奠(dian)定(ding)了(le)基礎。相(xiang)關成(cheng)果以“Design and fabrication of r-hirudin loaded dissolving microneedle patch for minimally invasive and long-term treatment of thromboembolic disease” 為(wei)題(ti)發表(biao)在(zai)《Asian Journal of Pharmaceutical Sciences》期(qi)刊(kan)上。

在該(gai)研(yan)究(jiu)中(zhong)，首(shou)先利(li)用(yong)計算機輔助(zhu)的(de)模(mo)型設(she)計對目標(biao)微(wei)針陣列(lie)進行設(she)計優化(hua)，分(fen)別按(an)需設(she)計了兩款不(bu)同參數的(de)微(wei)針陣列(lie)模(mo)型，如(ru)圖 2A所(suo)示(shi)，考(kao)慮(lv)到 3D 打印(yin)分(fen)辨率(lv)的(de)限(xian)制(zhi)，繪(hui)制(zhi)微(wei)針長(chang)度(du)為(wei) 1000 μm，允許(xu)微(wei)針有(you) 100-200 μm 的(de)長度(du)損失(shi)，設(she)置(zhi)微(wei)針形狀為(wei)五(wu)棱(leng)錐形，底(di)邊(bian)長度(du)分(fen)別為(wei) 150 μm 和 100 μm，將微(wei)針有(you)序排(pai)列(lie)成(cheng) 10 × 10 的(de)微(wei)針陣列(lie) (圖 2B)。將設(she)計圖紙(zhi)輸出導入(ru) 3D 打印(yin)軟(ruan)件(jian)進行打印(yin)，最(zui)終獲得(de)基(ji)於光敏樹(shu)脂(zhi)的(de)微(wei)針陣列(lie)模(mo)型。與設計模(mo)型相(xiang)比(bi)，微(wei)針的(de)高度(du)發生(sheng)了100-200μm 的(de)損失(shi) ，但(dan)在允(yun)許(xu)範(fan)圍(wei)之內(nei)，微(wei)針針(zhen)體形貌保(bao)存(cun)完整(zheng)，不(bu)同微(wei)針個(ge)體尺(chi)寸均(jun)壹(yi) (圖 2C)，提示(shi)高精度(du) 3D 打印(yin)在(zai)微(wei)針陣列(lie)模(mo)型制(zhi)備方面(mian)具(ju)有(you)巨大的(de)應(ying)用(yong)潛力(li)。

圖3.微(wei)針模(mo)具(ju)及(ji) 3DMN 制(zhi)備流(liu)程圖

由於以光敏樹(shu)脂(zhi)為(wei)打印(yin)材料(liao)的(de)微(wei)針陣列(lie)模(mo)型在(zai)用(yong) PDMS 進行模(mo)型翻(fan)制(zhi)時在接觸(chu)表(biao)面(mian) PDMS 無(wu)法(fa)固化(hua)，所(suo)以(yi)選擇(ze)明(ming)膠(jiao)作為(wei)中(zhong)間過渡材料(liao)替(ti)代直(zhi)接使用(yong) PDMS 進行微(wei)針模(mo)具(ju)制(zhi)備，開(kai)發壹(yi)條(tiao)新(xin)的(de)模(mo)型制(zhi)備工藝(圖 3)，並(bing)通(tong)過該(gai)路(lu)線(xian)成(cheng)功(gong)制(zhi)備了微(wei)針制(zhi)備模(mo)具(ju)。將該(gai)模(mo)具(ju)應(ying)用(yong)於r-hirudin 遞(di)藥系(xi)統(tong)的(de)制(zhi)備，通過連續(xu)的(de)微(wei)模(mo)型澆(jiao)鑄(zhu)並(bing)輔(fu)以(yi)恒溫真(zhen)空(kong)制(zhi)備r-hirudin 荷載的(de) 3DMN。對 3DMN 進行表(biao)征分(fen)析(xi)並(bing)在(zai)實驗動(dong)物(wu)體(ti)內(nei)進行微(wei)針給(gei)藥(yao)的(de)藥效(xiao)學與藥物(wu)代(dai)謝(xie)動(dong)力(li)學分(fen)析(xi)，結(jie)果顯示(shi) 3DMN 給(gei)藥(yao)可(ke)以實現快速(su)的(de)透皮(pi)藥(yao)物遞(di)送，血藥濃度(du)在(zai)給(gei)藥(yao)後 0.5 h 達(da)到峰值 (圖 4D-F)，血液(ye)的(de)凝(ning)固時間在 3DMN 給(gei)藥(yao)後顯著延長(chang) (圖 4A-C)。對 3DMN 給(gei)藥(yao)的(de)生(sheng)物利(li)用(yong)度(du)(BA) 進行分(fen)析(xi)，發現 3DMN 給(gei)藥(yao)相對於皮下(xia)註(zhu)射(she)給(gei)藥(yao)的(de)BA可(ke)達(da)50% (圖 4G-F)。該(gai)結果初步(bu)驗(yan)證(zheng)了(le)基(ji)於高精度(du) 3D 打印(yin)的(de)微(wei)針陣列(lie)模(mo)型制(zhi)備的(de) 3DMN 在介(jie)導透(tou)皮(pi) r-hirudin 遞(di)送中(zhong)的(de)可(ke)行性。

圖4. 3DMN 介(jie)導的(de)r-hirudin 透皮(pi)遞(di)送的(de)體內(nei)藥效學與藥物(wu)代(dai)謝(xie)動(dong)力(li)學研(yan)究(jiu) A-C. 血液(ye)凝(ning)固時間隨(sui)給(gei)藥(yao)時間的(de)變(bian)化(hua)；D-F. 血清(qing) r-hirudin 濃度(du)隨(sui)時間變(bian)化(hua)曲線(xian)；F. 不(bu)同給(gei)藥(yao)方式(shi)血清(qing)藥(yao)物(wu)濃度(du)隨(sui)時間變(bian)化(hua)曲線(xian) G. 不(bu)同給(gei)藥(yao)方式(shi)血清(qing)藥(yao)物(wu)濃度(du)參數

進壹(yi)步(bu)研(yan)究(jiu) 3DMN 在(zai)血栓性疾(ji)病防(fang)治中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)，分(fen)別構(gou)建腎上腺素/Ⅰ型膠原混(hun)合物尾靜脈註(zhu)射(she)誘導的(de)急(ji)性肺栓(shuan)塞動(dong)物(wu)模(mo)型和(he)三氯化(hua)鐵(tie)損傷(shang)誘導的(de)腸(chang)系(xi)膜(mo)微(wei)動(dong)脈血栓動(dong)物(wu)模(mo)型，將(jiang)載藥(yao) 3DMN 用(yong)於動(dong)靜(jing)脈血栓的(de)預防(fang)性治療，研(yan)究(jiu)發現

3DMN 介(jie)導的(de)r-hirudin 用(yong)藥可(ke)以顯(xian)著抑(yi)制(zhi)急(ji)性肺栓(shuan)塞模(mo)型小鼠(shu)肺部血管栓塞的(de)形成(cheng) (圖 5C-D)，提高小鼠(shu)的(de)存(cun)活(huo)率 (圖 5A-B)。此外(wai)還觀(guan)察到，3DMN 介(jie)導的(de) r-hirudin 用(yong)藥同樣可(ke)以顯(xian)著三氯化(hua)鐵(tie)損傷(shang)誘導的(de)腸(chang)系(xi)膜(mo)動(dong)脈血栓的(de)形成(cheng)，降(jiang)低(di)血栓發生(sheng)率 (圖 6)。以上結果進壹(yi)步(bu)說(shuo)明(ming) 3DMN 可(ke)用(yong)於動(dong)靜(jing)脈血栓的(de)預防(fang)性用(yong)藥，而高精度(du) 3D 打印(yin)技(ji)術的(de)出現(xian)不(bu)僅(jin)豐富(fu)了微(wei)針多(duo)樣(yang)性，也為(wei)未(wei)來(lai)臨床(chuang)用(yong)藥個體微(wei)針量(liang)身定(ding)制(zhi)提供(gong)了基(ji)礎，具(ju)有(you)很大的(de)經濟(ji)效(xiao)益與社會效益。

圖5. 3DMN 在預防(fang)急(ji)性肺栓(shuan)塞中(zhong)的(de)應(ying)用(yong)A-B. 3DMN 給(gei)藥(yao)對急(ji)性肺栓(shuan)塞小鼠(shu)生(sheng)存(cun)率(lv)的(de)影響(xiang)；C. 小鼠(shu)肺部組織石蠟(la)切片(pian) HE 染(ran)色；D. 小鼠(shu)肺部 CT 掃(sao)描(miao)圖

圖 6. 3DMN 在預防(fang)腸(chang)系(xi)膜(mo)微(wei)動(dong)脈血栓中(zhong)的(de)應(ying)用(yong) A. 血小板在(zai)血管損傷(shang)部位(wei)聚集(ji)的(de)體內(nei)成(cheng)像(xiang)；B. 血栓形成(cheng)率(lv)的(de)統計分(fen)析(xi)圖；C. 血栓形成(cheng)長(chang)度(du)統(tong)計分(fen)析(xi)圖