研究内容与实验方法
1. 多功能微针贴片增材制造平台
图1 多功能聚合物微针直接制备与贴片级集成的增材制造平台。(a) 通过纳米复合墨水多材料DIW直写3D打印机绘制制备集成微针贴片的示意图；(b) 含罗丹明B红色荧光染料的PLGA微针10×10方形阵列明场图像；(c) 含DAPI蓝色荧光染料的PLGA微针"MICRO"形阵列荧光图像；(d) 不同聚合物制备的微针方形阵列明场图像；(e) 由PLGA(红)、PVP、PDLLA、PCL、CA(绿)和PS组成的圣诞树形状集成贴片荧光图像。
本研究开发的多材料DIW直写3D打印机绘制平台由计算机控制的三轴运动台、多个独立寻址的气动注射器和柔性基底组成。纳米复合墨水（含药物、聚合物粘合剂和二氧化硅纳米颗粒）填充在注射器中，通过气动挤出和垂直拉制的组合过程直接生成尖锐的聚合物微针，随后经真空干燥去除残留溶剂完成固化。
该方法的核心优势在于突破了传统直接墨水绘制中挤出丝径与喷嘴尺寸相当的几何限制，使用300μm的亚毫米喷嘴成功制备出~5μm的尖锐针尖，分辨率提升了两个数量级。同时，该平台兼容多种聚合物基质：
- 快速释放型：聚环氧乙烷(PEO)、麦芽糖/聚乙烯吡咯烷酮(PVP)
- 缓释型：聚乳酸-羟基乙酸共聚物(PLGA)、聚乳酸(PDLLA)、聚己内酯(PCL)
- 不可降解型：聚苯乙烯(PS)、醋酸纤维素(CA)
多材料集成能力允许在单个贴片上整合不同功能的微针，为复杂治疗方案的实施提供了灵活平台。
2. 纳米复合墨水配方与流变学特性
图2 形貌可控的微针直接墨水绘制。(a) 单个尖锐微针绘制过程的侧视光学图像；(b) 不同二氧化硅纳米颗粒负载量墨水的粘度-剪切速率曲线；(c) 储能模量(G')和损耗模量(G'')随剪切应力的变化；(d) 链状二氧化硅纳米颗粒聚集体三维网络的破坏与恢复示意图；(e-j) 不同挤出压力、拉制速度和喷嘴直径下制备的微针形貌及参数变化。
2.1 核心墨水配方
| 聚合物基质 | 溶剂体系 | 二氧化硅纳米颗粒 | 负载量 | 应用 |
|---|---|---|---|---|
| PLGA (50:50, 70kDa) | DMSO/二氧六环 (58:42) | AEROSIL A200 (原生, 12nm) | 10 wt% | 缓释载药微针 |
| PVP/麦芽糖 (10:90) | DMSO/二氧六环 (58:42) | AEROSIL R974 (二甲基改性, 12nm) | 6 wt% | 可溶解基座 |
| PEO | DMSO/二氧六环 | AEROSIL A200 | 8 wt% | 快速释放载药微针 |
2.2 流变学机制
纯聚合物溶液（如PLGA溶液）为牛顿流体，粘度约5Pa·s，无法用于气动挤出打印（易发生 uncontrollable 侧向铺展）。通过添加二氧化硅纳米颗粒作为流变改性剂，可将其转化为具有理想打印性能的屈服应力流体：
- 剪切变稀特性：低剪切速率(0.01s⁻¹)下粘度高达8.1×10⁴Pa·s，高剪切速率(100s⁻¹)下粘度降低3个数量级，便于从喷嘴顺畅挤出
- 屈服应力行为：屈服应力约630Pa，低于该应力时呈固态（G'≈6×10⁴Pa，远大于G''），高于该应力时变为液态
- 快速恢复特性：撤去剪切力后，二氧化硅纳米颗粒网络迅速重建，墨水恢复固态，能够抵抗表面张力维持尖锐针尖形状
研究发现，二氧化硅纳米颗粒的表面性质对墨水性能至关重要。例如，麦芽糖/PVP墨水必须使用二甲基官能化的R974二氧化硅，否则聚合物会吸附在原生二氧化硅表面，破坏纳米颗粒网络结构，导致墨水失去屈服应力特性。
3. 微针形貌的精准调控
通过调整打印工艺参数，可以精准控制微针的几何形状和尺寸，满足不同的临床需求：
- 挤出压力（325-450kPa）：压力越高，挤出的墨水量越多，微针与基底的接触面积越大，长径比越小（从2.9降至1.3）
- 拉制速度（0.25-10mm/s）：速度越快，微针高度越高（从670μm增至1000μm），可制备高长径比微针，实现无痛皮肤插入
- 喷嘴直径（200-600μm）：直径越大，微针整体尺寸越大，高度范围为500-2000μm
微针打印完成后，在0.5Pa真空条件下干燥72小时去除残留溶剂。尽管溶剂蒸发会导致体积收缩，但微针的基本形貌保持良好，仅发生轻微的各向异性收缩。对于热稳定药物，可通过提高干燥温度缩短干燥时间。
4. 双层微针结构与皮肤插入性能
图3 用于可靠皮肤插入的双层微针。(a) 带牺牲基座的PLGA微针贴片明场(上)和荧光(下)图像；(b) 微针侧视明场(上)和荧光(下)图像，显示活性药物成分(红色荧光)集中在微针锥体部分；(c) 微针压缩力学行为及实验装置示意图；(d) 微针植入后猪皮的明场(上)和荧光(下)图像；(e) 相应组织学切片显示微针完全嵌入皮肤。
单层微针在插入弹性皮肤时面临两个主要问题：难以完全插入导致药物浪费；底部未插入部分的药物无法发挥作用。为解决这些问题，本研究开发了两步法制备的双层微针结构：
- 第一步：使用中等二氧化硅负载量的PVP/麦芽糖墨水打印圆顶状可溶解基座
- 第二步：在基座上使用高二氧化硅负载量的PLGA墨水打印尖锐的载药锥体
典型的双层微针参数：基座直径300μm，高200μm；载药锥体高650μm，总高850μm。力学测试表明，单根微针可承受的最大压缩力约为1.9N，远高于皮肤穿刺所需的力（约0.05-0.1N），且不会发生断裂。
猪皮植入实验显示，微针可完全插入皮肤，最大插入深度约700μm。30分钟后基座溶解，去除背衬层后，载药锥体留在皮肤内，即使反复擦拭也不会脱落，实现了可靠的药物植入。
5. 多功能微针贴片用于黑色素瘤治疗
图4 用于体外抗肿瘤治疗的多功能微针贴片。(a) 同时触发光热疗法和联合化疗的多功能微针贴片示意图；(b) 由ICG微针(绿)、姜黄素微针(黄)和DOX微针(红)组成的集成贴片明场图像；(c) ICG微针贴片在1.0W/cm²近红外照射下的热成像图；(d) 微针贴片在近红外照射下的温度曲线；(e) PEO微针贴片的姜黄素累积释放曲线；(f) PLGA微针贴片的DOX累积释放曲线；(g-i) 不同处理组的细胞毒性和凋亡分析。
5.1 治疗策略与载药设计
本研究采用光热疗法(PTT) + 联合化疗的协同治疗策略，针对高度侵袭性的皮肤黑色素瘤。多功能微针贴片整合了三种不同功能的微针：
- ICG负载麦芽糖/PVP微针：ICG作为生物相容性光热剂，快速释放后在近红外(808nm, 1W/cm²)照射下1分钟内可使局部温度升至60℃，产生光热杀伤效应
- 姜黄素负载PEO微针：姜黄素是天然低毒化疗药物，快速释放，3小时内释放60%，单根微针载药量达10.2μg
- 阿霉素(DOX)负载PLGA微针：DOX是强效化疗药物，通过PLGA基质实现缓释，14天释放80%（每天约5.3%），显著降低全身毒性
5.2 体外抗肿瘤效果
MTT细胞毒性实验表明，空白微针对3T3成纤维细胞和B16F10黑色素瘤细胞均无明显毒性，具有良好的生物相容性。不同治疗组的效果对比：
- 对照组：细胞存活率100%
- ICG+NIR组：75±2%
- 姜黄素微针组：68±6%
- DOX微针组：61±3%
- ICG+NIR+姜黄素微针组：47±3%
- ICG+NIR+姜黄素+DOX微针组：14±3%
细胞凋亡分析进一步证实了联合治疗的协同效应，ICG+NIR+姜黄素+DOX组的细胞凋亡率最高，表明光热疗法与化疗的结合能够显著增强抗肿瘤效果。
图5 集成微针贴片体内根除黑色素瘤肿瘤。(a-d) 早期黑色素瘤治疗方案、贴片设计、肿瘤生长曲线和小鼠体重变化；(e-h) 晚期黑色素瘤治疗方案、贴片设计、肿瘤生长曲线和小鼠体重变化。
5.3 体内抗肿瘤效果与个性化治疗
本研究在C57BL/6小鼠B16F10黑色素瘤模型上验证了微针贴片的体内治疗效果，并根据肿瘤分期设计了个性化治疗方案：
早期肿瘤（体积~50mm³）：
- 采用ICG/姜黄素微针+NIR治疗
- 治疗后肿瘤完全根除，疗效与瘤内注射相当，显著优于静脉注射
- 治疗期间小鼠体重无明显下降，无明显毒副作用
晚期肿瘤（体积~150mm³）：
- 采用ICG/姜黄素/DOX微针+NIR治疗
- 治疗14天后肿瘤体积仅约300mm³（对照组>1500mm³）
- 疗效优于瘤内注射（~510mm³）和静脉注射
- PLGA基质的缓释作用显著降低了DOX的全身毒性，小鼠体重保持稳定
6. 远程医疗应用展望
图6 增材制造微针作为远程医疗服务中经皮给药的个性化平台。可穿戴传感器连续记录多种生物标志物，为虚拟就诊提供可靠诊断依据；电子处方发送至当地药房，自动生产个性化微针贴片；患者可自行进行经皮给药治疗。
本研究开发的直接墨水绘制技术为远程医疗中的药物递送提供了理想解决方案。未来的医疗模式可能是：
- 可穿戴传感器连续监测患者生理指标，发现异常后将数据和病历发送给医生
- 医生通过远程会诊做出诊断，开具电子处方
- 当地药房的自动化设备根据处方按需生产个性化微针贴片
- 患者自行使用微针贴片进行经皮给药治疗
这种去中心化的药物制造模式能够显著缩短药物获取时间，降低供应链成本，同时实现真正的个性化治疗，为下一代远程医疗服务提供有力支撑。
