具有抗菌和再生特性的双层组织支架：熔融电写技术与电喷雾技术的结合应用

《Journal of Pharmaceutical Sciences》：Dual-layer tissue scaffolds with antibacterial and regenerative properties: Integration of melt electrowriting and electrospray technologies

微针贴片（MNP）通过熔融铸造技术实现长效药物递送，以解决口服药物依从性问题。采用聚-caprolactone（PCL）材料在65℃熔融后离心成型，避免有机溶剂且提升微针附着力。体外释放测试显示islatravir（HIV PrEP）和左炔诺孕酮（避孕药）的释放动力学接近一级，持续约40天。该技术简化生产工艺，提高患者自主管理能力。

　　

Mikayla L. Rahman | Sijia Tao | Camryn Mekal | Gulcin Arslan Azizoglu | Raymond F. Schinazi | Mark R. Prausnitz

佐治亚理工学院和埃默里大学Wallace Coulter生物医学工程系，美国佐治亚州亚特兰大30332

摘要

患者对日常口服药物方案的依从性较低，这是有效管理慢性疾病（如HIV治疗、暴露前预防（PrEP）和避孕措施）的重要障碍。虽然长效注射剂消除了每日服药的需要，但通常需要医疗专业人员的协助。为了促进患者自行使用长效治疗药物，我们开发了一种微针贴片（MNP），用于持续释放伊拉特拉韦（islatravir）或左炔诺孕酮（levonorgestrel），分别用于HIV治疗/PrEP或避孕。这些微针贴片采用熔融铸造技术制造，可快速生产出可生物降解的聚己内酯微针，实现持续药物释放。聚己内酯的低熔点以及伊拉特拉韦和左炔诺孕酮的高热稳定性使得在65°C下进行熔融铸造成为可能。在制造过程中加入离心步骤后，微针与贴片基底的粘附性得到改善，从而更容易将微针从模具中取出，并确保微针能够有效插入皮肤。体外实验表明，这些微针能够以近似一级释放动力学实现约40天的持续药物释放。我们得出结论，通过简单的熔融铸造工艺制造的微针贴片可以用于HIV治疗/PrEP、避孕及其他治疗应用。

引言

患者对日常药物治疗方案的依从性仍然是管理慢性疾病（如HIV治疗）及预防措施（例如HIV暴露前预防（PrEP）和每日口服避孕药）的重大挑战。研究表明，患者对日常口服药物的依从性往往较差^1,2，导致治疗效果降低，同时增加了HIV传播^{3, 4}和意外怀孕⁶的风险。虽然按处方服用口服PrEP可将HIV风险降低至99%，但实际依从率通常较低，从而大大降低了保护效果⁷。同样，每日口服避孕药是最常用的避孕方法，但50%的女性每月至少会漏服一次药片，22%的女性每月会漏服两次或更多次⁶。正确服用时，口服避孕药的避孕效果可达99.7%，但在实际使用中效果会降至91%或更低；依从性差被认为是女性使用口服避孕药导致意外怀孕的主要原因⁶。 为了解决依从性低的问题，人们已经探索了用于HIV PrEP、避孕及其他慢性疾病的长效药物递送方法。例如，长效注射剂形式的卡博替格韦（cabotegravir）和莱纳卡帕韦（lenacapavir）已获得FDA批准用于HIV PrEP，并显示出比每日口服方案更好的依从性和疗效^{8, 9, 10}。伊拉特拉韦（ISL，又称EFdA和MK-8591）是一种核苷逆转录酶转移抑制剂，已通过口服和皮下制剂进行研究用于PrEP^{11, 12, 13}。在避孕领域，长效可逆避孕方法（如宫内节育器和避孕植入物）是最有效的手段，失败率低于1%，且无需每日服药¹⁴。左炔诺孕酮（LNG）是最常用的长效避孕激素¹⁵。这些例子凸显了缓释制剂通过减少对患者依从性的依赖来改善治疗效果的潜力。然而，这些长效方法需要专业人员的协助，从而限制了患者的可及性。 为了提高长效药物的可用性，本研究介绍了一种可自我使用的微针贴片（MNP），用于实现持续药物释放。微针（MNs）是微米级的针状突起，能够以微创方式将药物输送到皮肤中^16,17。研究表明，这些微针可以输送多种药物^17,18，包括LNG^19,20以及疫苗^{21, 22}。可生物降解的微针特别有趣，因为它们可以提供可控的持续药物释放。这些微针通常由可生物降解的聚合物（如聚乳酸（PLA）或聚（乳酸-羟基乙酸）（PLGA）制成，在体内通过水解降解的同时释放药物，无需后续处理²³。它们能够封装多种药物，特别适用于HIV PrEP、避孕及其他治疗应用²⁴，因为这些药物通常具有疏水性且每日剂量要求较低。 目前，可生物降解聚合物微针的制造方法通常涉及将含有聚合物和目标药物的有机溶剂溶液倒入微针模具中，然后进行缓慢干燥^19,25,26。尽管这种方法能有效制造微针，但有机溶剂的使用会导致干燥时间延长，从而增加制造成本²⁷。此外，由于微针设计为在皮肤插入后与贴片基底分离，因此必须确保可生物降解的聚合物仅存在于微针中，而不扩散到基底中，以保证微针在皮肤中的正确分离并避免额外的制造复杂性^28,29。 为克服这些限制，我们提出了一种新的熔融制造方法，无需在微针成型过程中使用有机溶剂，并缩短了制造时间。我们使用聚己内酯（PCL）作为模型药物，在适中温度下熔融，冷却后在微针模具腔内固化，形成可生物降解的微针贴片。在贴片上涂覆水溶性基底后，通过体外皮肤插入测试评估其机械强度，并通过体外释放测试确定其药物释放动力学。通过去除微针制造过程中的有机溶剂，我们的熔融方法可以提高基于微针的系统在HIV治疗/PrEP、避孕及其他缓释应用中的临床和商业可行性。

材料

SYLGARD 184硅胶弹性体套件购自Dow（密歇根州米德兰）。PCL-2（Purasorb PC-02，固有粘度0.20-0.26 dL/g）和PCL-4（Purasorb PC-04，固有粘度0.35-0.43 dL/g）购自Corbion（荷兰阿姆斯特丹）。聚乙烯醇（PVA, 4-88）、聚乙烯吡咯烷酮（PVP）、蔗糖、氯仿、四氢呋喃（THF）和尼罗红购自Sigma-Aldrich（密苏里州圣路易斯）。左炔诺孕酮（LNG）购自Chemo Industriale Chimica S.R.L（意大利萨龙诺）。

聚合物和活性药物成分的热稳定性

为克服使用溶剂铸造法制造用于持续药物释放的可生物降解微针的局限性，我们开发了一种适中温度的熔融铸造方法。为此，我们选择了熔点低于药物及聚合物本身降解温度的可生物降解聚合物。因此，我们选择了聚己内酯（PCL），因为它具有相对较低的熔点^34,35，能够实现持续药物释放³⁶，并且具有生物相容性。

讨论

我们开发了一种适中温度的熔融铸造方法来制造微针贴片（MNP），实现药物的封装和缓慢释放。这种新方法消除了微针制造过程中对有机溶剂的需求，从而减少了制造时间，避免了溶剂蒸发带来的问题，提高了生产安全性，并减少了残留溶剂的担忧。此外，该过程适用于许多小分子药物。

结论

在本研究中，我们采用适中温度的熔融铸造方法制造了微针贴片，该方法提高了制造速度，避免了微针成型过程中有机溶剂的使用，有效填充了模具腔体。熔融铸造的微针通过以下方式进行了优化：（i）选择高于聚合物熔点（PCL为59°C）且低于LNG（241°C）、ISL（225°C）和PCL（219°C）降解温度的温度（65°C）；（ii）通过离心施加压力填充模具。

资助

本研究部分由M.L.R.获得的奖学金（美国国立卫生研究院 T32 GM145735）以及美国国立卫生研究院的资助（R21AI186628、P30 AI050409）支持。此外，本研究还在Family Health International (FHI 360)通过与美国国际开发署（USAID）的合作协议（协议编号7200AA20CA0016下完成。本文内容不一定反映

作者贡献

Mikayla L. Rahman：概念构思、研究、方法设计、数据可视化、写作。Sijia Tao：概念构思、研究、方法设计、写作——审稿和编辑、资金争取。Camryn Mekal：研究、方法设计。Gulcin Arslan Azizoglu：概念构思、方法设计。Raymond F. Schinazi：概念构思、资源提供、监督、资金争取、写作——审稿和编辑。Mark R. Prausnitz：概念构思、监督、资金争取、写作——

利益冲突声明

作者声明以下可能构成潜在利益冲突的财务利益/个人关系： Mark R. Prausnitz是专利发明人，担任多家公司的顾问，并是开发微针产品的公司创始人/股东。这种潜在的利益冲突由佐治亚理工学院负责管理。其他作者没有需要声明的利益冲突。

致谢

作者感谢Jeong Woo Lee在微针皮肤插入方面的协助；感谢Erkan Azizoglu在定制应用器的设计和制造方面的支持；同时感谢Donna Bondy在行政方面的帮助。作者还感谢Andrey Romanyuk、Max Freidlin和Reethika Digumarthy在实验协助和学术讨论方面的贡献。