皮肤创伤愈合是一个涉及多种细胞类型、生长因子和细胞信号通路相互作用的复杂生物过程。线性皮肤伤口，尤其是由于外伤、手术或烧伤引起的创面，若未能及时有效处理，可能会导致慢性伤口、瘢痕组织形成，甚至引发更严重的健康问题。目前，临床上治疗线性皮肤伤口的方法主要包括药物治疗、物理疗法和手术干预等。然而，它们存在一定的局限性，如药物生物利用度低、疗效有限、治疗周期长、易形成瘢痕等。随着材料科学和生物医学工程的快速发展，微针(MNs)作为一种新型的药物递送方式，因其无痛、非侵入式的优势受到广泛关注。MNs能够穿透皮肤角质层屏障，实现药物在病变区域的高效渗透，显著提高药物的生物利用度，同时减轻相关副作用，是一种安全有效的治疗方法。三七皂苷R1（NG-R1）作为中药三七中的活性成分，具有抗炎、抗氧化和促进血管生成等多重药理作用。在皮肤创伤愈合领域，NG-R1已被证实可以通过调节炎症因子和生长因子的表达，显示出促进伤口愈合的能力。此外，近红外光（NIR）因其出色的组织穿透能力和生物相容性，在促进伤口愈合方面显示出巨大的潜力。NIR能够促进细胞代谢，抑制细菌感染，并调节炎症反应，从而加速创面愈合。然而，单独使用NG-R1进行外敷治疗时，由于大部分药物无法深入皮肤，导致药物生物利用度较低，从而影响疗效。此外，传统的NIR治疗也面临诸多挑战，如光线难以穿透皮肤组织，导致光能损失，且使用外部光源需要长时间保持在同一位置，这极大地限制了患者的活动空间。将MNs作为递送载体，将NG-R1的药理作用与NIR的生物调节作用相结合，可能会产生协同增效的治疗效果。目前，尚未有关于NG-R1-MN与NIR联合治疗线性皮肤伤口的研究报道。因此，研究这一联合治疗策略不仅有望提高药物的生物利用度，还可能克服传统治疗方式的局限性，值得进一步探索。
近日，来自北京化工大学庄俭副教授与北京大学第三医院合作以“Wireless power supply near-infrared light drug-loaded microneedle system for the treatment of linear skin wounds”为题在国际知名杂志Chemical Engineering Journal(IF=13.3)发表了研究文章，提出了一种无线供电近红外光载药微针系统(NIR-LED-NG-R1-MN)，该系统利用微针(MNs)实现中药活性成分三七皂苷R1(NG-R1)的靶向递送，同时结合近红外光(NIR)的生物调节作用，旨在实现对线性皮肤伤口的高效协同治疗。
图1 用于治疗线性皮肤伤口的无线供电NIR-LED-NG-R1-MN系统的组成和应用概念图.
本研究首次提出了一种无线供电近红外光载药微针系统 (NIR-LED-NG-R1-MN)，该系统主要由搭载NG-R1的可溶性微针、PDMS透光薄膜、用于固定的HEMA光固化层、NIR-LED光板组成，如图1(a)所示。NIR-LED-NG-R1-MN的无线充电功能主要基于电磁感应原理，在电磁发射端和NIR-LED光板的接收端分别装有线圈，当发射端的线圈接入特定频率的交流电源时，通过电磁感应效应，NIR-LED光板接收端的线圈便能感应出电流，实现能量的无线传输，从而点亮NIR-LED光板。此外，LED光板的闪烁模式可以通过对电磁线圈进行编程控制，以适用于不同的治疗场景，如图1(b)所示。该系统旨在通过MNs实现NG-R1的精确靶向递送，并利用NIR的生物调节作用进行线性皮肤伤口的协同治疗，如图1(c)所示。与外部光源相比，这种将光源直接固定在微针上的灵活设计，解决了活动空间受限和不可移动的问题。对于小鼠的治疗,它们可以在带有固定线圈的容器中进行，如图1(d)所示。再者，这种贴在皮肤上的光学贴片是有利的，即使在较暗的环境下或皮肤被布遮盖时，也能够有效地从皮肤表面向内递送光子，如图1(e)- 1(g)所示。本文采用前瞻性方式，探讨了NIR-LED-NG-R1-MN的疗效和安全性，以期为临床皮肤创伤治疗以及其他相关生物医学领域提供新的思路和方法。
图2 MNs对线性皮肤伤口的治疗效果.
结论
本研究成功开发并全面评估了一种无线供电NIR-LED-NG-R1-MN系统，实现了光药协同治疗。实验结果表明，该装置可以顺利穿透皮肤角质层在20min完成药物的靶向递送，同时将NIR递送到皮肤的深处。同时，在生物相容性和安全性方面表现良好，未引起皮肤过敏或其他不良反应。动物实验进一步表明，该装置可以预防机体产生炎症，促进新生组织生成，显著提升了伤口愈合效果并降低了疤痕形成风险。此外，通过电磁感应原理实现的无线供电功能，提高了治疗的便捷性，摆脱了对外部电源的依赖。本文对NIR-LED-NG-R1-MN的制备、表征和动物实验证明了其在治疗线性皮肤伤口方面的可行性。
这项研究介绍的无线供电近红外光载药微针系统是一种创新的微针结构，为光药联合微针的设计与研发提供了宝贵的见解。值得注意的是，通过调整微针的结构尺寸，该系统能够灵活适用于各种伤口的治疗，如表皮伤口、深层伤口、以及洞穴型伤口等。再者，通过更换药物或LED光源的颜色，该系统在癌症、脱发、口腔溃疡、烧伤等其他疾病的治疗中展现出巨大的应用潜力。此外，还可以对该系统进行优化升级，与微流控芯片结合，实现疾病的诊疗一体化，为临床给药和护理点检测的提供新的策略。尽管该系统在促进伤口修复的疗效出色，但实现从实验室走向临床仍存在诸多挑战。未来，需要对其进行更深入的研究，开展必要的临床实验，并探究其在长期使用中的代谢和降解途径以及生物安全性和有效性。
北京化工大学机电工程学院研究生张笑宁为本文第一作者，北京化工大学机电工程学院庄俭副教授为本文的通讯作者。
【作者简介】
张笑宁（第一作者）
· 北京化工大学机电工程学院智能制造专业研究生。
· 研究方向：智能药物递送系统的研究。
庄俭（通讯作者）
· 北京化工大学机电工程学院塑料机械及塑料工程研究所副教授。
· 主要从事高分子材料微纳制造、聚合物药物递送微针迭代设计、制备及其应用、高分子材料成型装备及其数字孪生。主持和参与国家重点研发计划，国家自然科学基金项目、北京市自然基金等20余项项目。发表专著2部，授权发明专利20余项，学术论文50余篇。
原文链接
X. Zhang, J. Zhu, X. Kang, X. Hu, Q. Gao, M. Li, J. Sun, J. Zhuang, Wireless power supply near-infrared light drug-loaded microneedle system for the treatment of linear skin wounds, Chemical Engineering Journal (2024), doi: https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157110
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