通过溶剂铸造技术制造的溶解微针阵列贴片及基于微针的生物医学设备的基本表征
January 30th, 2026
本研究旨在作为实用指南，使研究人员能够利用溶剂铸造法（也称为微成型）制备自己的DMAP器件，并进行基本表征。
我们的研究主要集中在利用纳米和微系统（如微针设备）优化皮肤药物递送。本研究提供了一种可行且可重复的制备溶解微针的方法。首先，通过将DMAP组成材料溶解在适当量的水中，制备水溶液胶体分散。
用力搅拌混合物以获得均匀的分散。让聚合物在一夜间微微搅拌以达到完全扩散，让气泡在这段较长时间的搅拌过程中自然散开。如果气泡持续存在，则以1000克、25摄氏度离心机分离聚合物分散液五分钟。
将所需浓度的货物加入聚合物分散液中，并适度搅拌混合物，直到均匀且不加入新的气泡。现在，为了将模具放入孔中，使用塑形粘土或牙科胶，并将PDMS模具丢弃到12孔板中。接着，将20微升的药物载聚合物混合物铸造到PDMS模具上。
将板放入离心机，以3000克、25摄氏度旋转五分钟。现在，将板子旋转180度，重复离心，确保所有针状空腔都充满。然后，使用移液器小心地去除模具中多余的药物载荷聚合物分散物。
将含药聚合物分散的模具置于真空中，温度600毫巴，25摄氏度，持续30分钟。准备一种高浓度且不含药物的聚合物分散剂，以形成DMAP装置的底板。使用前确保分散均匀。
接着，将50微升无药物聚合物分散液铸造到PDMS模具上。将板放入离心机，旋转两次，包括中间点板旋转180度。离心后，向每个模具添加100微升分散液，12小时后再向底板添加50微升。
将DMAP放入PDMS模具中，在室温下用干封口干燥剂干燥三到五天。用镊子小心地将DMAP从PDMS模具上取模。或者，用透明纤维素胶带将DMAP从模具上撕下来。
对于正压法，将150微升的药物加载聚合物混合物铸造到PDMS模具上，并将其放入压力罐中。将压力罐充入空气，直到压力在三到四巴之间。保持这种压力至少15分钟。
使用微型相机并以适当放大倍率观察DMAPs，以区分针状突起。调整焦点以清晰辨识单个微针。接着，将DMAP连接到支撑装置上，通过光学显微镜观察微针状突起的形态和长度。
通过将设备放入市售的DMAP施用器中，评估DMAP的机械性能。将施用器压在不锈钢平面上30秒。压缩后，记录微针状突起的长度，并通过比较压缩前后长度来计算变形百分比。
然后，利用基于烯烃类材料制成的热塑性薄膜的替代人工皮肤方法，确定DMAP的初步插入能力。利用对不锈钢表面施加相同的压缩条件，将DMAPs装置压缩在八片绑定板上。现在，利用之前切除并仔细修剪的人类、猪或啮齿动物皮肤移植，确定DMAP的体外插入能力。
用大量水浸泡一到两分钟清洁皮肤。将干净的皮肤植入物放在铝箔包裹的泡沫材料上，角质层朝上。继续使用上述压缩条件进行插入。
将DMAP插入皮肤直到微针尖端溶解，并观察设备在溶解过程中保持与皮肤接触。利用Franz扩散细胞装置确定体外药物皮肤沉积和吸收情况。按照之前描述的修剪和清洁程序准备皮肤切除，并将DMAP插入皮肤结构30秒。
用适量的氰基丙烯酸酯将弗朗茨扩散细胞的供体腔粘贴在皮肤上。让粘合剂完全干燥后，用合适的夹子将皮肤供体腔复合物连接到受体腔。最后，按照标准扩散槽的采样程序进行采样。
制造的DMAP表现为均匀外观，成功形成了微针状突起，着色染料局限于突起内，底板保持无药物。光学显微镜显示，微针状突起的尖端锋利且压缩前无变形。压缩后，微针状突起显示结构明显变形。
在人工皮肤模型中，DMAP成功穿透了热塑性薄膜，形成了可见的孔洞。热塑性模型不同层中开孔的数量与微针插入深度相关。体外小鼠皮肤移植显示插入后内层皮肤逐渐染色，符合DMAP随时间溶解的特征。
组织学检查与伊欧辛血素染色，确认皮肤切片中插入微针状突起。采用Franz扩散细胞装置评估药物通过皮肤移植的扩散情况，清晰可见供体腔、皮肤和受体腔。该方案为制造溶解微针器件提供了基础指导，使研究人员能够探索其设计、性能及生物医学应用潜力。
一个关键挑战是确保货物与聚合物基体的兼容性。某些货物可能会干扰材料性能或影响微针性能。未来研究可将该方案调整至特定药物和聚合物，优化微针制备，并拓展治疗和生物医学领域的应用。
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概述
本协议展示了一种使用溶剂铸造法制备可溶解微针阵列贴片（DMAPs）的方法。它还概述了评估这些装置性能和潜在生物医学应用的关键表征技术。
关键研究组成部分
科学领域
- 生物工程
- 药物递送系统
- 微针技术
背景
- 可溶解微针提供了一种微创药物递送方法。
- 溶剂铸造是一种可重复的微针制造技术。
- 微针的表征对于评估其功效至关重要。
- 药物货物与聚合物基质的兼容性是一个关键考虑因素。
研究目的
- 提供一个详细的DMAPs制造协议。
- 使研究人员能够探索微针装置的设计和性能。
- 评估DMAPs的生物医学应用潜力。
使用的方法
- 聚合物分散液的制备和药物装载。
- 用于微针形成的离心和干燥过程。
- 使用DMAP应用器评估机械性能。
- 在皮肤外植体上进行离体测试以评估插入能力和药物吸收。
主要结果
- DMAPs表现出均匀的外观，成功形成微针。
- 微针有效穿透人工皮肤模型。
- 组织学分析确认了微针插入皮肤层。
- Franz扩散池设置展示了药物通过皮肤外植体的扩散。
结论
- 本协议为DMAPs的制造提供了基础指南。
- 未来的研究可以优化特定药物的微针制备。
- 研究可以扩大微针在治疗中的应用。
常见问题
Executive Industry Relevance
Dissolving microneedle array patches (DMAPs) fabricated by solvent casting offer a reproducible platform for transdermal drug delivery, directly addressing the challenge of overcoming the skin barrier for biologics and small molecules. Their mechanical and biocompatibility characterization enables predictive confidence in early-stage formulation and device integration. This approach supports risk-adjusted advancement of transdermal assets and portfolio diversification in drug delivery innovation.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables systematic evaluation of drug-polymer compatibility for mechanistic de-risking.
- Supports functional validation of transdermal delivery hypotheses using ex vivo skin models.
- Facilitates rapid iteration of device design for target engagement studies.
Screening & Assay Development
- Provides standardized mechanical and insertion testing for reproducible device assessment.
- Generates quantitative readouts on microneedle integrity and skin penetration depth.
- Establishes assay-ready DMAPs for downstream drug release and absorption studies.
Translational & Preclinical Research
- Aligns ex vivo skin penetration and drug diffusion data with preclinical model requirements.
- Supports continuity from benchtop device optimization to in vivo validation workflows.
- Enables risk-adjusted selection of DMAP formulations for further translational development.
Pipeline & Workflow Integration
DMAP fabrication and characterization integrate into the discovery-to-preclinical continuum, bridging formulation, device engineering, and early pharmacokinetic assessment.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing for skin barrier bypass and drug delivery efficiency.
- Screening: Delivers reproducible mechanical and insertion data for device selection.
- Analytics: Provides quantitative outputs on deformation, penetration, and drug diffusion.
- Translational Research: Connects ex vivo performance to preclinical model readiness.
- Enterprise Reuse: Establishes a modular protocol adaptable to diverse drug cargos and polymers.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Increases predictive confidence in transdermal delivery feasibility and target validation.
- Operational Value: Standardizes device fabrication and characterization for scalable R&D workflows.
- Strategic Value: Enables informed go/no-go decisions for transdermal assets and reduces late-stage risk.
- Portfolio Impact: Supports risk-adjusted prioritization of novel drug-device combinations.
Implementation Considerations
- Requires expertise in polymer science, drug formulation, and device engineering.
- Needs access to centrifugation, vacuum drying, and microscopy instrumentation.
- Demands cross-team standardization of mechanical and insertion assays.
- Adaptation may be needed for different drug cargos and polymer matrices.
- Potential limitations include cargo-polymer compatibility and ex vivo model variability.
