微针(MNs)已经成为微创经皮给药装置的通用平台。然而，也有人担心长期经皮给药会引起皮肤感染。利用Langmuir−Blodgett(LB)技术，东华大学杨光/何创龙、浙江大学顾臻合作开发了一种简单的方法来在MNs上沉积不同形状、大小和组成的抗菌纳米颗粒。与传统的浸渍镀膜技术相比，该方法具有镀膜层可控、均匀且高的覆盖率、制作工艺简单等优点。这为MNs提供了快速和持久的抗菌效果。该研究表明，抗菌微球在不牺牲有效负载能力、药物释放或机械强度的情况下，在体外和体内实现了卓越的细菌清除。这种功能性纳米粒子包覆技术为MNs功能的扩展提供了一个平台，特别是在长期透皮给药领域。该研究以题为“Langmuir−Blodgett-mediated formation of antibacterial microneedles for long-term transdermal drug delivery”的论文发表在《Advanced Materials》上。
在这里，描述了一种简单而通用的策略，即通过Langmuir-Blodgett(LB)涂层技术来开发抗菌MNs。近年来，LB技术已被应用于非典型的两亲性分子，特别是纳米材料。作为概念验证，FDA批准的聚合物聚(乳酸-乙醇酸)被用作构建MNs的基质。研究发现，这种策略适用于各种形状、材料和颗粒大小的抗菌金属纳米颗粒。生产过程只需要乙醇和水；不需要额外的化学品、聚合物或赋形剂。此外，这一策略可以绕过MNs固有的药物加载和释放限制，确保其多功能性。值得注意的是，LB包覆的抗菌MNs具有均匀和高覆盖率、可控制的包覆层和强大的附着力，允许快速起效并延长抗菌效果。
图1.通过LB涂层技术涂覆抗菌纳米颗粒(NP)的微针(MNs)示意图，用于降低透皮给药中MNs引起的皮肤感染的风险
【纳米氧化锌包覆MNs的制备与表征】
本研究将聚（乳酸-乙醇酸）(PLGA)用于MNs的制备。选择具有代表性的商用氧化锌纳米粒子作为抗菌纳米粒子。对于LB涂层，将25 mg的纳米氧化锌分散在5毫升无水乙醇中，并使用雾化器将其喷洒在水的表面。在此过程中没有发现塌陷点，这表明纳米氧化锌颗粒在水面上分散良好，下沉最小。此时，LB膜开始转移到MNs上。将一层氧化锌纳米颗粒涂覆在一块(8 mm×8 mm)的MNs上，大约需要8分钟，而四层需要30分钟。
与未涂层的MNs相比，LB或浸渍涂层工艺不影响涂层针的几何形状。同时，在针部和基片内部均覆盖了一层完整的纳米氧化锌薄膜，表现出良好的表面均匀度和均匀性。值得注意的是，该涂料配方仅由氧化锌纳米颗粒组成，不含化学物质、聚合物或赋形剂。因此，涂层厚度在很大程度上取决于纳米颗粒的大小和涂层的数量，从而可以形成纳米到微米厚的薄膜。这确保了针尖固有的几何形状以及它们的皮肤穿透性能。在这项研究中，选择了具有4个包覆层的LB包覆的MNs进行进一步的研究，因为具有更多包覆层的涂层并不具有优异的抗菌性能。纳米氧化锌的LB包覆层牢固地附着在MNs表面，没有任何斑块剥落。这保证了包覆LB膜的MNs抗菌效果的一致性和持久性。
图2 基于LB技术的氧化锌纳米颗粒包覆MNs的制备与表征
【LB包覆的MN的体外药物递送行为及细胞毒性】
以布洛芬为模型药物，研究比较了未包覆和LB包覆MNs的载药量，以确定在LB过程中是否发生药物释放。与未包覆的MNs相比，LB包覆的MNs在载药量方面没有显著差异，这主要是由于PLGA基质在30分钟内的缓慢溶胀行为。具有和不具有表面涂层的布洛芬负载MNs表现出相似的持续释放20天的药物释放曲线。此外，与未包覆MNs组和对照组细胞在细胞毒性上无明显差异，说明LB包覆MNs的细胞毒性可忽略不计。
图3.体外药物传递行为和细胞毒性的LB包覆的MNS
【LB包覆的MNs的体外抗菌性能】
以金黄色葡萄球菌为模型菌评价LB包覆的MNs的体外抗菌性能。结果表明，包覆MNs可完全抑制金黄色葡萄球菌生长96h以上。琼脂平板试验中发现，包覆的MNs在第一天表现出了快速的抑菌作用，如明显的抑制区。这表明，在MNs表面包覆抗菌剂可以使抗菌剂直接接触细菌，与传统的包埋方法相比，抗菌剂起效更快。
图4. LB包覆的MNS的体外抗菌性能
【LB包覆的MNs的体内抗感染评价】
建立了一种小鼠皮肤感染模型，以评估LB包覆的MNs的抗感染效果。与对照组相比，生理盐水组在48h和96h的皮肤上表现出明显的炎症反应，整个感染皮肤表面都有脓肿。浸渍包覆组也表现出炎症反应，48h时感染皮肤出现红肿和脓肿，96h仍未愈合。相比之下，LB包覆的MNs组可在96h内抑制感染皮肤上的细菌生长，对皮肤的损害、脓肿或其他异常不良影响最小。结果表明，LB包覆的MNs对皮肤感染具有持久有效的抗菌作用，且具有较高的生物相容性。
图5. LB包覆的MNs的体内抗感染评价
【SiO2-Ag和ZIF-8纳米粒子在MNs表面的负载】
为了验证LB包覆法制备抗菌纳米粒子的普适性，将抗菌纳米粒子的范围扩展到了常用银纳米粒子掺入二氧化硅纳米球(SiO2-Ag)和沸石咪唑骨架-8(ZIF-8)，这两种纳米粒子通常用于生物医学领域的抗菌应用。扫描电子显微镜照片显示，无论纳米粒子的形状如何，针状物和内基都被一层薄薄的SiO2-Ag或ZIF-8纳米粒子完全覆盖，而针状物的几何形状保持不变。改良的琼脂扩散法评估了LB包覆的MNs的抗菌活性。接种琼脂平板结果表明，在接种后的第1天至第4天，两种LB包覆的MNs均在MNs插入部位形成了明显的抑菌带，抗菌效果持续时间长达4d以上。这些发现表明，LB包覆技术可以作为一种平台，在MNs表面包覆各种抗菌纳米颗粒。
图6.利用SiO2-Ag和ZIF-8纳米粒子的LB包覆MNs制备和表征及其抗菌性能
【小结】
本研究应用LB包覆技术，开发了一种在MNs表面涂覆抗菌纳米颗粒薄膜的平台。这种策略避免了MNs固有的药物有效载荷限制，并将对皮肤渗透性和药物传递性能的影响降至最低。与传统的涂层技术相比，它有几个优点，包括通用性、均匀和高覆盖率、可控的涂层和简单的制造程序。用LB法包覆的抗菌MNs具有起效快、抗菌效果持久的特点。研究认为，通过不同的纳米粒子类型和包覆层，可以进一步提高LB包覆MNs的抗菌效果和耐久性。此外，希望这项技术也适用于硅MNs、金属MNs和由其他聚合物基质组成的MNs，如聚乳酸和聚己内酯，或它们的组合。
原文链接：
https://doi.org/10.1002/adma.202303388
来源：BioMed科技
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