微针透皮给药是一种通过皮肤给药的非侵入性技术。这种技术通过穿透角质层，使药物更容易渗入皮肤并进入循环系统。这项技术的应用提高了药物的吸收率和生物利用度，有效减少了所需要的药物剂量和药物浓度。此外，微针的设计还具有持续释放的特点，使其成为微型药物储藏库，能够在一定时间内缓慢释放药物。这种缓释特性不仅能提供更稳定、更持久的治疗效果，还有望在药物输送、疫苗注射和基因转移等多个领域实现突破。
尽管微针透皮给药具有独特优势，但目前最广泛采用的微针类型仍然是可溶解型。这些微针通过微针基质的溶解过程，促进药物在皮肤中的自由扩散。尽管通过调整基质成分可以控制药物释放速度（这也是许多研究关注的重点），但是，一旦微针溶解，药物进入人体，药物就只能依靠自身的被动扩散。此时，微针已不再具有任何调节功能。因此，在需要针对特定部位或深层病变的情况下，传统可溶解微针仍然无法精确控制药物释放在体内的穿透深度和扩散范围。
微针的主要特点是无痛和微创，因此盲目增加针头长度以提高药物渗透深度并不可行。这些局限限制了传统的可溶解微针在涉及厚层皮肤或深层组织穿透时的应用。因此，亟需设计并开发一种策略，以提高微针端药物的有效渗透和扩散深度。
目前，很多科研人员正致力于实现微针对药物释放的更精确控制，例如控制释放的速度、时间和剂量。已有报道多种外部控制微针给药方法，包括磁场和光控等。然而，这些外部控制方法需要设备调节，可能会造成不便、操作繁琐以及成本高昂，因此不适合家庭等多种要求便携的应用环境。还有研究致力于改造微针本身携带的药物。例如，将靶向模块与药物结合，希望通过这种方法调节药物释放后在体内的扩散方向。然而，引入额外的靶向模块或对药物进行特殊改良，无疑会引入更多存在安全隐患的成分，从而阻碍其更广泛的应用。
近些年，气体处理方法逐渐进入研究人员的视野。使用无害气体成分不仅能减少残留，还能让一些有益的气体成分在辅助治疗中发挥作用。而且，气体本身具有较大的驱动潜力。如果能在物理层面上利用气体驱动力控制药物释放，赋予药物主动运输和扩散的能力，就能最大限度地提高药物的纯度，使其应用更加广泛。已有学者考虑利用材料产生气体，如利用镁基金属材料产生H₂或利用氧化物产生O₂。然而，利用这些材料生成气体的反应条件相当苛刻，需要催化剂，因此成本高昂。此外，产生气体的总量也会受到材料数量的限制，而且气体产生的速度被限制在一个可以人为控制的狭小空间内。一旦材料耗尽，反应就无法维持，严重限制了气体生产的可持续性。并且，对反应后残留产物处理安全性的担忧，也对气体产生材料的医疗应用提出了挑战。
据麦姆斯咨询介绍，天津大学、天津医科大学、唐颐生物医学（天津）有限公司和美国斯坦福大学的研究人员开发了一种活体微生物触发气体驱动的微针“微引擎”，用于主动控制药物输送。通过在微针中封装活性产气微生物，特别是产气肠杆菌ATCC 13048（E.A.），并保持其活性和产气能力，能够持续利用它们产生的气体提供驱动力。这可以用于推动微针针尖上的药物穿透组织层，克服真皮层的阻力，扩散到达更深的部位。
这项研究的创新点在于将天然微生物独特的产气机制与微针透皮给药相结合，构建了一种生物活性气体驱动微针“微引擎”。这种以微生物产生气体为驱动力的微针“微引擎”，能使药物主动扩散到深层靶点。通过调节微生物的生理过程（主要是调节气体产生量），可以控制推进力的大小和速度，从而实现可控的药物输送深度。这种以活体气体为动力的微针技术有望提高给药深度和效率，为按需和可控给药提供一种创新的范例和解决方案。
以微生物产生气体为驱动力的微针“微引擎”的制备、应用原理以及工作过程
微生物作为空气动力源
本文提出微针“微引擎”的给药性能表征
在未来的研究中，有必要更深入地探讨气体从微针孔隙中扩散以及外层药物向深层组织推进的物理模型。此外，量化气体推进力以及微针长度等因素对药物输送的影响也很重要。这将为后续进一步的微针研究提供理论支持。总之，研究人员开发的这种以微生物产生气体为驱动力的微针“微引擎”，为药物向深层组织的渗透和扩散提供了创新范例，并且能够与先进的生物医学技术结合应用。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-024-53280-8
延伸阅读：
《给药应用的微针专利态势分析》
《糖尿病管理技术及市场-2022版》
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