南京工業(yè)大學(xué)高兵兵團(tuán)隊(duì)：仿生超構(gòu)微流控微針貼片，用于高效傷口管理

更新時(shí)間：2024-02-21

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在過去的幾十年中，微流控芯片作為處理微小液滴或小體積液體樣品的小型實(shí)驗(yàn)室裝置，具有快速分析、小容量處理和成本效益高等優(yōu)點(diǎn)。然而，微流控芯片在臨床分析領(lǐng)域面臨著諸多局限性。為了提高適應(yīng)性和集成度，有必要向更小、更復(fù)雜的尺寸發(fā)展?，F(xiàn)有的微流控芯片缺乏三維（3D）分析能力，急需開發(fā)一種高度集成的超構(gòu)微流控芯片，以實(shí)現(xiàn)多維流體控制。近年來，基于光子晶體（PC）膜的分析方法因其具有非接觸、可視化的傳感特性而備受關(guān)注，具有將生物化學(xué)信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)的能力，當(dāng)其結(jié)合上微流控微針時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)傷口部位的原位監(jiān)測和高效管理。

圖1 超構(gòu)微流控微針（MMMs）用于智能傷口管理（包括運(yùn)動(dòng)傳感、生化分析和傷口愈合）的示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，南京工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院高兵兵副教授團(tuán)隊(duì)在國際材料科學(xué)學(xué)術(shù)期刊《Advanced Functional Materials》（IF=19.00）上發(fā)表題為“Rolling Stone Gathers Moss: Rolling Microneedles Generate Meta Microfluidic Microneedles (MMMs)"的研究成果，報(bào)道了基于滾動(dòng)微針制備仿生超構(gòu)微流控微針芯片（MMMs）用于高效傷口管理的最新研究。研究人員采用市售滾動(dòng)微針（RMNs）實(shí)現(xiàn)雙面滲透和圖案化設(shè)計(jì)，使其既能用于制備微針，又可以構(gòu)建三維多層微流控通道。這種制備方法具有快速簡便高效的優(yōu)勢，該生物啟發(fā)的超構(gòu)微流控微針貼片在傷口管理、臨床給藥以及即時(shí)診斷（POCT）等領(lǐng)域都具有巨大的發(fā)展?jié)摿ΑＤ暇┕I(yè)大學(xué)藥學(xué)院碩士二年級研究生周錢為第一作者，高兵兵副教授為該論文的通訊作者。

該研究使用了一種特殊的工具——滾動(dòng)微針（RMNs）。利用滾動(dòng)微針，研究人員首先在拉伸的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具上垂直滾動(dòng)出負(fù)模，再填充所需的材料，真空干燥，最終得到所需的微針（圖2）。滾動(dòng)微針在本文研究中發(fā)揮了兩種作用，除了上文提及的作為制備微針的模具，另一作用是在膜上創(chuàng)建孔洞，這些孔洞被設(shè)計(jì)在特定的位置，完成3D微流控通道的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)雙面滲透和圖案化設(shè)計(jì)，以方便藥物和待測液的輸送。當(dāng)待測液順著微流控通道自驅(qū)流動(dòng)，到孔洞位置時(shí)，待測液將會(huì)流入第二層，再順著通道及孔洞到達(dá)第三層，直至到達(dá)檢測區(qū)。滾動(dòng)微針這種簡便的工具，為創(chuàng)建多層次微流控通道提供了新思路。

圖2 超構(gòu)微流控微針芯片貼片的制作過程和表征

受到大自然中生物體（閃蝶翅膀，孔雀羽毛）利用周期性微觀結(jié)構(gòu)創(chuàng)造出許多引人注目的結(jié)構(gòu)色的啟發(fā)，研究人員利用排列有序的單分散電致變色光子晶體（EPC）納米粒子，自組裝干燥制備了人工合成的光子晶體。其具備周期性結(jié)構(gòu)，能夠有選擇性地透過或反射特定波長的光。研究人員將滾動(dòng)微針與光子晶體膜結(jié)合，設(shè)計(jì)的3D多層微流控通道解決了流體自發(fā)流動(dòng)的問題。在毛細(xì)力的作用下，流體無需外部驅(qū)動(dòng)力即可自發(fā)流動(dòng)。流體在流過光子晶體膜時(shí)會(huì)產(chǎn)生明顯的顏色反應(yīng)，還具有熒光增強(qiáng)的功能（圖3），因此可應(yīng)用于監(jiān)測小鼠傷口的炎癥因子（IL-6、CRP）。基于這些特點(diǎn)，這種超構(gòu)微流控微針芯片在促進(jìn)組織再生、創(chuàng)面愈合和傷口管理方面的實(shí)用性能已通過小鼠傷口模型的全層皮膚創(chuàng)面得到證實(shí)（圖4）。這些結(jié)果表明，超構(gòu)微流控微針貼片在傷口愈合、組織工程等生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。

圖3 超構(gòu)微流控微針貼片對熒光的選擇性增強(qiáng)示意圖

圖4 超構(gòu)微流控微針貼片對表皮傷口的活體治療評估

綜上所述，該研究受生物啟發(fā)使用滾動(dòng)微針設(shè)計(jì)了基于光子晶體的新型超構(gòu)微流控微針貼片。以軸向陣列排列的滾動(dòng)微針作為簡便的微針設(shè)計(jì)模板，同時(shí)在光子晶體膜上進(jìn)行了圖案化設(shè)計(jì)促進(jìn)了雙面滲透，形成了3D超構(gòu)微流控通道。與光子晶體膜的結(jié)合，可以產(chǎn)生特別的結(jié)構(gòu)色和熒光增強(qiáng)作用。研究人員對小鼠傷口中的炎癥因子（如IL-6和CRP）進(jìn)行的實(shí)時(shí)監(jiān)測證明了超構(gòu)微流控微針貼片在傷口管理和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用方面的潛力。本研究在流體控制方面實(shí)現(xiàn)了突破，為臨床給藥和護(hù)理點(diǎn)檢測的應(yīng)用提供了新的可能性。

該研究工作得到了國家自然基金、江蘇省自然科學(xué)基金、南京工業(yè)大學(xué)藥學(xué)院學(xué)科基金等項(xiàng)目的支持。

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