Nanoenergy and Biosystem Lab
Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems, Chinese Academy of Sciences

【Advanced Functional Materials】自驱动可控经皮药物传递系统

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背景介绍

      银屑病被俗称牛皮癣,是一种增殖性、慢性炎症性皮肤病,病程较长,发病率高且有易复发倾向,世界范围约1-3%的人罹患银屑病。其临床表现以红斑,鳞屑为主,伴有肿胀、瘙痒、发炎疼痛等症状,全身均可发病,这极大地影响了患者的身体健康和精神状况。局部软膏涂敷是最常见的皮肤疾病治疗方式,但银屑病患者角质层增厚,只有10-20%或更少的药物可以渗透进入皮肤,严重影响药物的治疗效果。微针作为一种给药装置,可以刺穿皮肤角质层,将药物直接释放于表皮层或真皮层,这种方式极大地提高了药物利用率。但普通微针给药系统仍然存在药物释放不可控的问题,难以满足银屑病患者需要长期给药,以及瘙痒,疼痛加剧时又需要增大给药剂量的特殊需求。

文章概述

近日,中科院北京纳米能源与系统研究所李舟研究员团队与北京化工大学材料科学与工程学院郭新东教授团队,基于压电纳米发电机(PENG)和电响应导电高分子微针贴片(MNP)合作开发了一种基于压电纳米发电机(PENG)和电响应导电高分子微针贴片(MNP)的一体化自驱动可控经皮药物传递系统(sc-TDDS)系统,并将其用于治疗银屑病。MNP为一个两电极的导电微针阵列,分别为包载地塞米松磷酸钠(Dex)的PLA-Au-PPy微针电极和PLA-Au微针对电极。微针刺入皮肤后,两电极连通,病人可以通过弯曲或手轻轻拍打PENG将机械能转变为电能来控制MNP中药物的释放。整个系统大小形状与商用创可贴相当,具有轻便,柔性,易贴附于皮肤以及微痛,按需释药和药物利用率高等特点。体外实验表明,驱动一次PENG,sc-TDDS可释放8.5 ng Dex。在小鼠银屑病模型中,sc-TDDS连续治疗5天后,炎症皮肤明显恢复正常,治疗效果明显优于传统的药膏涂敷的给药方式。这项研究制备了一种新型导电MNP,并结合PENG设计了一种一体化的sc-TDDS,为按需经皮给药提供了一种新的方式。相关成果以“Self-Powered Controllable Transdermal Drug Delivery System”为题发表于国际权威期刊Advanced Functional Materials (2021, 2104092)。本文第一作者为中科院北京纳米能源与系统研究所博士生杨圆和胥玲玲。


原文链接:

https://doi.org/10.1002/adfm.202104092

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图文导读

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图1. 自驱动可控的经皮药物传递系统的设计

a) sc-TDDS由PENG和MNP组成。b) MNP包括PLA-Au MNs和包载Dex的PLA-Au-PPy MNs。c) PPy包载和释放Dex的机制,i) 当PPy膜被氧化沉积时,将Dex直接掺杂到PPy主链中,实现药物的包载;ii) 当PPy膜在一定电压下被还原时,Dex从PPy上脱掺杂,实现药物的释放。

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图2. PENG的表征

a) PENG 的 3D 结构,包括封装层 (PET)、压电层 (PVDF)、电极层 (Ag)和衬底层(Kapton)。b) PENG 的工作原理。c-e) PENG 的 Voc、Isc 和 Qsc。

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图3. MNP的性能表征

a-c) MNP、PLA-Au微针阵列和PLA-Au-PPy微针阵列的明场显微镜照片。d) MNP 刺入猪皮后,猪皮的荧光显微镜图像。e) PLA-Au-PPy MNs 的 PPy 膜厚度。f, g) PLA-Pt-PPy MNs的 EIS 和 CV 曲线。

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图4. 体外药物释放

a) sc-TDDS 和商业创可贴的对比照片。b) 弯曲状态下 sc-TDDS 的照片。c) sc-TDDS 在 PBS 中释放药物的示意图。d) Dex 释放量及对应的触发Dex 释放的正弦波形 e) 在PENG驱动下,Dex释放效率(电刺激(ES)和无刺激(NS))f) 通过间歇驱动PENG, Dex释放效率(ES 10 分钟,NS 50 分钟)。g) 在PENG 和传统装置电刺激下,Dex 的释放效率,无刺激作为对照组。h,i) 用 Dex 溶液、MNP 和 sc-TDDS 预处理的 LPS 诱导的 RAW 264.7 细胞上清中TNF-α和 IL-6 的浓度。

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图5. 银屑病治疗

a) 银屑病造模和治疗过程的时间线和相应照片。b) 用 MNP 刺入后,小鼠皮肤及其相应的HE染色组织切片图(右下)。c) 由 IMQ 诱导银屑病,并用 Dex 溶液,MNP和sc-TDDS进行治疗的HE染色小鼠皮肤组织切片图,正常皮肤作为对照组。d) 从 HE 染色图片测量的表皮厚度。e,f) 以IMQ诱导银屑病并用Dex溶液、MNP和sc-TDDS进行治疗的小鼠血清中,TNF-α 和 IL-6 的浓度,正常小鼠为对照组。g) 统计分析来自小鼠脾脏的 CD4+ T 细胞的百分比。



结论

综上所述,本文制备了一种新型双电极导电微针贴片,并结合PENG设计了一种一体化自驱动可控经皮药物传递系统。该系统可以收集人体运动机械能并将其转化为电能来控制药物按需释放,在治疗银屑病中有很好的疗效。与商用刺激源相比,MNP在PENG交流脉冲电刺激下,药物释放效率更高,所需的电流更低,可以更好地保持药物的活性。该系统具有微痛、轻便、灵活、按需给药和药物利用率高等优点,可作为通用装置输送其他药物用于治疗关节炎、精神疾病和疼痛等。此外,该系统还有希望与各类检测系统相结合形成一种闭环的自驱动诊疗体系。


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