微针设计与刺入过程力学问题研究进展.pdf

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1、第42卷第3期力学进展VlO1．42No．32012年5月25日ADVANCESINMECHANICSMay25，2012微针设计与刺入过程力学问题研究进展木马国军吴承伟大连理工大学运载工程与力学学部工业装备结构分析国家重点实验室／工程力学系，大连116024摘要近年来，一种可实现无痛和微创给药以及生物微量采样分析的新技术一微针逐渐引起了人们的广泛关注．本文首先简要介绍了微针技术的发展历史和现状，随后结合人类皮肤的力学特点，重点分析了微针设计和应用中面临的主要力学问题，特别是微针刺入力、结构强度、刚度以及药物输送技术等方面的研究

2、进展．最后介绍了有关生物微针及仿生微针方面的最新研究进展，阐述了生物微针的特殊微纳结构和超级省力的力学原理，并分析了其对改进人造微针设计带来的重要启示．关键词经皮给药，皮肤，微针，生物微针1引言主要由死亡的皮肤细胞构成【4])的阻碍作用，输药效率很低，某些大分子类的药物则完全无法经皮迄今为止，人类已经发明了多种给药技术，口渗透[1-a]．为了改善经皮输药效率以及扩充经皮服给药、注射给药(包括肌肉注射和静脉注射)和输药的种类，人们不断从化学、物理学以及生物经皮给药等是医疗过程中最常用的输药方式．口学等方面研究经皮输药技术的改进方法

3、，如使用服给药技术由于药物需要经过肠胃、肝脏等组织各种促透剂的化学法，离子导入、超声导入、电致器官，肠道消化酶以及肝脏的首过效应使药物的孔法以及微粉超音速喷射等物理方法[1,2,5-6]．近吸收效率大为降低，尤其不适用于蛋白质、胰岛素年来，随着现代微纳米加工技术的飞速发展，一种以及DNA等类型的药物．注射给药技术虽然克服被称之为微针的新型经皮给药促进方法已经问世，了上述缺点，但需要将普通针头刺入皮肤深层，常并越来越受到人们的关注．常给患者带来可怕的疼痛，特别是对于那些年幼微针(microneedle1【17-151一般是指长度在

4、几患者和需要经常输药治疗的人群(如需要经常注十微米到几毫米，尖端直径在几十微米以下的微射胰岛素的糖尿病患者)，这尤其是件非常痛苦的型针头．研究表明，利用微针进行经皮给药，一方事情．另外，由于普通针头尺寸较大，输药时会使面可以克服传统经皮给药技术的缺点，另一方面皮肤产生较大创伤，处理不当可能引起皮肤感染还不会像普通肌肉注射或静脉注射那样引起明显等不良后果．最后，由于普通注射给药技术是一次的痛疼和创伤．微针之所以具有这些优点主要是性将药物注入人体内，短时间内体内局部药物浓因为微针的尺寸非常微小，在进行经皮给药时微度过高，不利于药物的

5、连续稳定释放．经皮给药技针可以仅刺透皮肤的表层而不触及皮肤深层组织术则可克服上述缺点．所谓经皮给药，是指将药物中的神经，从而实现无痛，或微针即使刺入皮肤深直接贴敷在皮肤表面并通过皮下毛细血管吸收后层，但由于尺寸微小，不但刺入力小而且接触神经进入体内循环的输药方式【卜引．这种输药方式具有的概率变小，因而产生的疼痛感仍然远小于传统无痛、使用方便以及可实现长效给药等优点，不过针头引起的疼痛[16-17]；显然微针刺入皮肤所产生传统经皮给药由于受到皮肤的阻碍作用，特别是的创伤比普通针头小得多，可以实现微创给药；更皮肤角质层(皮肤的最外层

6、，厚度约为10^一20m，为重要的是，由于微针已在皮肤表层形成了微米收稿日期：2011—11—16，修回日期：2012一O1—19doi：10．6052／1000—0992—1l一155国家自然科学基金项目(10972050，10802019，10925209)资助tE—mail：CWWU@dlut．edu．cn第3期马国军等：微针设计与~ljA．过程力学问题研究进展315级的药物输送微通道(比一般药物分子尺寸大一是弯矩1后容易发生断裂．已有研究表明，硅微针个数量级)6l，克服了药物经皮输送的最大障碍在较高压力作用下针尖会产生5

7、10m的断裂碎一角质层的阻碍作用，从而极大地提高了药物输片[18】．而且硅的生物相容性又不好，断裂后残留送效率以及可经皮输送的药物种类．Henry等【18]在皮肤内的碎片可能引起不良反应，严重时这些于1998年首次对微针阵列促进药物传输的效率进微小碎片还有可能进入血管和心脏，引起一些恶行了研究，实验表明经微针阵列刺破皮肤后，钙黄劣后果[43]．若采用金属来制备微针，其成本相对绿素的经皮输送效率提高了约4个数量级．硅微针而言要低一些[1o]，但有些金属刺入皮肤后除了具有无痛、微创以及输药效率高等优点，可能会引起不良免疫反应[10,

8、44】，因此硅微针和金如果再结合其他微流体控制系统，微针还可以实属微针虽已在实验室进行过大量研究，但其真正现长效可控给药[0,191．此外，微针经过特殊设用于临床仍面临考验[1o]．近年来，聚合物材料与计后结合相应的微流体控制和分析系统，还可以可降解生物材料因为