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

更新時間：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驗室裝置，具有快速分析、小容量處理和成本效益高等優(yōu)點。然而，微流控芯片在臨床分析領(lǐng)域面臨著諸多局限性。為了提高適應性和集成度，有必要向更小、更復雜的尺寸發(fā)展。現(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，具有將生物化學信號轉(zhuǎn)換成光信號的能力，當其結(jié)合上微流控微針時，可以實現(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（包括運動傳感、生化分析和傷口愈合）的示意圖

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，南京工業(yè)大學藥學院高兵兵副教授團隊在國際材料科學學術(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，報道了基于滾動微針制備仿生超構(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微針（RMNs）實現(xiàn)雙面滲透和圖案化設計，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、臨床給藥以及即時診斷（POCT）等領(lǐng)域都具有巨大的發(fā)展?jié)摿?。南京工業(yè)大學藥學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——滾動微針（RMNs）。利用滾動微針，研究人員首先在拉伸的聚二甲基硅氧烷（PDMS）模具上垂直滾動出負模，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，這些孔洞被設計在特定的位置，完成3D微流控通道的構(gòu)建，實現(xiàn)雙面滲透和圖案化設計，以方便藥物和待測液的輸送。當待測液順著微流控通道自驅(qū)流動，到孔洞位置時，待測液將會流入第二層，再順著通道及孔洞到達第三層，直至到達檢測區(qū)。滾動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。研究人員將滾動微針與光子晶體膜結(jié)合，設計的3D多層微流控通道解決了流體自發(fā)流動的問題。在毛細力的作用下，流體無需外部驅(qū)動力即可自發(fā)流動。流體在流過光子晶體膜時會產(chǎn)生明顯的顏色反應，還具有熒光增強的功能（圖3），因此可應用于監(jiān)測小鼠傷口的炎癥因子（IL-6、CRP）?；谶@些特點，這種超構(gòu)微流控微針芯片在促進組織再生、創(chuàng)面愈合和傷口管理方面的實用性能已通過小鼠傷口模型的全層皮膚創(chuàng)面得到證實（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)學領(lǐng)域具有廣闊的應用前景。

圖3 超構(gòu)微流控微針貼片對熒光的選擇性增強示意圖

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)使用滾動微針設計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微針作為簡便的微針設計模板，同時在光子晶體膜上進行了圖案化設計促進了雙面滲透，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)色和熒光增強作用。研究人員對小鼠傷口中的炎癥因子（如IL-6和CRP）進行的實時監(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)學應用方面的潛力。本研究在流體控制方面實現(xiàn)了突破，為臨床給藥和護理點檢測的應用提供了新的可能性。

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

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