傳統的胰島素給藥系統在自動化精確給藥、無痛給藥以及避免無法治療的并發癥等方面存在局限性。有效的糖尿病管理亟需無痛自動給藥系統的開發。眾多研究認為，與其它有源器件相比，微針（microneedle）是一種有前景的無痛給藥器件。微針是長度小于1毫米的微米級針頭，可實現有效的透皮給藥。

微針可以分為五種獨特的類型，包括實心微針、涂層微針、空心微針、可溶解微針和水凝膠微針。其中，空心微針是中心有空腔，并且尖端有孔的微針。空心微針可在空心腔內容納大劑量或大體積的藥物溶液，并且能夠將高分子量藥物輸送到表皮或真皮層上層。

此外，空心微針具有可控注射大劑量藥物的能力，這使得空心微針比現有的各種“實心”微針具有更優越的給藥性能。因此，目前相關研究正在致力于開發一種具有空心微針陣列、微泵、微傳感器、儲液器、發射器和接收器等組件的半自動胰島素輸送系統。該微型系統的關鍵功能是能夠根據患者的生理數據自動輸送合適的劑量，以避免不必要的并發癥。

據麥姆斯咨詢報道，近期，印度斯里瓦什布拉曼尼亞納達爾工程學院（Sri Sivasubramaniya Nadar College of Engineering）的研究人員于Microfluidics and Nanofluidics期刊發表了題為“Effect of hollow microneedle geometry structure on mechanical stability and microfluidic flow for transdermal drug delivery applications”的論文，介紹了一種用于透皮給藥（TDD）的新型空心微針陣列，該陣列具有集成的儲液器和圓柱形中心管腔，可根據糖尿病患者的生理數據自動輸送所需的藥物劑量。

具體而言，為了構建上述的受控給藥系統，研究人員設計了一種4 × 4空心聚乙烯醇（PVA）微針陣列，并對其進行了仿真分析。此外，基于幾何結構（錐形、金字塔形）和相關參數（長度、基底和尖端直徑），研究人員對該微針陣列進行了結構和微流控分析。

圖1 空心微針陣列的制作流程

首先，研究人員分別對4 × 4錐形和金字塔形空心微針陣列在軸向和彎曲載荷條件下的應力情況進行了研究。研究結果顯示，增加微針的長度會增加其最大應力，并增大其不穩定性。其次，微針基底直徑的增大會減小結構的應力和撓度，并且隨著滲透率的增加，其結構的穩定性會增強。此外，針尖直徑越大的微針，其引起的注射部位疼痛感越強。

圖2 軸向應力分析：（a）錐形微針陣列；（b）金字塔形空心微針陣列



圖3 4 × 4金字塔形微針陣列彎曲應力分析



圖4 軸向和彎曲載荷下微針陣列的位移變化：（a）長度；（b）基底直徑；（c）針尖直徑

接著，研究人員探索了幾何參數的變化對微針機械強度的影響。研究結果顯示，具有生物相容性的聚乙烯醇微針陣列有足夠的強度，可以成功刺穿人體而不破裂。產生的應力證明，在3.16 MPa的壓力下，微針仍能保持完整。此外，研究人員發現，尖銳的錐形微針針尖產生的張力較小，可更好地實現無痛給藥。

最后，研究人員以水和葡萄糖為例，對不同粘度的流體進行了微流控分析。微流控分析結果表明，高粘性流體在微針陣列中具有較低的流速，反之亦然。在入口壓力為100 kPa時，錐形微針陣列中水的流速為320 μL/min，金字塔形微針陣列中水的流速為230 μL/min。

圖5 不同流體的速度與微針入口壓力的關系

綜上所述，在這項工作中，研究人員設計了一種用于糖尿病管理的可控給藥系統。該系統主要用于根據患者的生理數據自動輸送所需的藥物劑量。該系統具有無痛和用戶友好性，可以有效提升患者的依從性。

然而，盡管空心微針陣列的發展非常迅速，但各種器件與微針貼片的集成仍然具有挑戰性。未來的工作重點是聚乙烯醇空心微針陣列的制備和其他器件與預制微針貼片的集成。此外，研究人員還將進行體內研究，將集成微針陣列的完整器件原型用在動物皮膚上，實現可控的藥物輸送。

審核編輯：劉清