2023年8月7日，基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院陳偉教授團(tuán)隊(duì)在材料學(xué)權(quán)威期刊《ACS Nano》（IF=17.1）在線發(fā)表了題為“受小腸絨毛啟發(fā)的數(shù)學(xué)工程化底紋貼片用于各類粘膜高效生物標(biāo)志物富集與藥物快速沉積”（Intestinal Villi-Inspired Mathematically Base-Layer Engineered Microneedles (IMBEMs) for Effective Molecular Exchange during Biomarker Enrichment and Drug Deposition in Diversified Mucosa）的研究文章。基于仿生的原理，這項(xiàng)工作為仿生器件與粘膜的深度互作提供了全新的思路，使不依賴材料或化學(xué)特性，通過(guò)特定的仿生結(jié)構(gòu)加強(qiáng)界面之間的相互作用，使該工作的相關(guān)理念后續(xù)有望快速應(yīng)用于臨床實(shí)踐。

粘膜又被稱為身體的“內(nèi)皮膚”，廣泛分布于各類器官與組織表面，表面粘液與組織液中含有各種生理/病理相關(guān)的生物標(biāo)志物，粘膜下也有豐富的血管與淋巴管，是器件-組織互作的潛在位點(diǎn)。作為人體內(nèi)部的屏障，粘膜本身容易受各類外來(lái)刺激而產(chǎn)生損傷，例如機(jī)械摩擦所致紅腫（物理因素?fù)p傷）、胃酸或某些酸/堿藥物所致潰瘍（化學(xué)因素?fù)p傷）等。而更為重要的則是生物因素?fù)p傷，病原微生物對(duì)粘膜系統(tǒng)的感染可能對(duì)機(jī)體產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，例如新冠肺炎（由新冠病毒感染所致）、非典型性肺炎（由非典病毒感染所致）、流感（由流感病毒感染所致）、宮頸癌（和人乳頭瘤病毒感染強(qiáng)相關(guān)）和胃癌（與幽門螺桿菌感染強(qiáng)相關(guān)）等等。因此，開(kāi)發(fā)一種準(zhǔn)確高效有前景的粘膜采樣/遞送策略，不僅能提高當(dāng)前臨床疾病診斷治療的效率，也能更好的保護(hù)大眾的生命健康。

盡管已經(jīng)有許多粘膜相關(guān)的檢測(cè)拭子（例如口腔拭子，咽拭子以及鼻拭子），它們?cè)趯?shí)際臨床應(yīng)用中仍面臨許多問(wèn)題，例如淺表取樣、難以脫附帶來(lái)的靈敏度問(wèn)題，或是因?yàn)槿舆^(guò)程中帶來(lái)的不適而產(chǎn)生的患者依從性問(wèn)題，又或是面對(duì)不同粘膜環(huán)境的普適性受限，這些問(wèn)題降低了實(shí)際臨床診斷與治療過(guò)程中醫(yī)生判斷的準(zhǔn)確度，給患者的診療帶來(lái)較大的風(fēng)險(xiǎn)。

為了解決上述問(wèn)題，已有許多先行研究者提出了自己的解決方案，例如使用電紡納米級(jí)纖維拭子或者在取樣器上做化學(xué)修飾提升靈敏度，但這些方案也或多或少有著材料和功能上的限制，難以快速走向臨床轉(zhuǎn)化。華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院陳偉教授團(tuán)隊(duì)在過(guò)去幾年對(duì)生物仿生器件與粘膜互作方面做過(guò)許多研究，報(bào)道過(guò)如降低假陰性的新冠檢測(cè)拭子（Matter, DOI: 10.1016/j.matt.2020.09.021）及動(dòng)態(tài)全向粘膜粘附藥片系統(tǒng)（ScienceAdvances，DOI: 10.1126/sciadv.abk1792）。基于前期的積累，并啟發(fā)于小腸在物質(zhì)交換過(guò)程中的特點(diǎn)（小腸絨毛的周期性結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的物質(zhì)交換面積極大提高），團(tuán)隊(duì)成員將周期性結(jié)構(gòu)修飾在研究較少的微針陣列底部，開(kāi)發(fā)出一款數(shù)學(xué)工程化底紋貼片（Intestinal villi-inspired Mathematically Base-Layer Engineered Microneedles,IMBEMs）。此器件巧妙地利用生物仿生結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了粘膜與貼片的高效深層互作。而通過(guò)對(duì)貼片材料的設(shè)計(jì)，使IMBEMs貼片具有了快速溶解釋放藥物（IMBEMs in deposition mode, IMBEMs-ModeD）和高速溶脹捕獲組織液（IMBEMs in enrichment mode,IMBEMs-ModeE）兩種模式，能夠適用于全身各類粘膜，根據(jù)需求進(jìn)行取樣或遞藥。

IMBEMs貼片的概念示意圖

總體而言，本工作受啟發(fā)于小腸絨毛的周期性特殊結(jié)構(gòu)，并將該結(jié)構(gòu)與微針陣列結(jié)合創(chuàng)造出了一種用于各類粘膜高效生物標(biāo)志物富集與藥物快速沉積的受小腸絨毛啟發(fā)的數(shù)學(xué)工程化底紋貼片（Intestinal villi-inspired Mathematically Base-Layer Engineered Microneedles, IMBEMs），以增強(qiáng)器件-粘膜相互作用。IMBEMs貼片可以通過(guò)對(duì)材料的控制實(shí)現(xiàn)捕獲與遞送兩種模式，兩種模式的IMBEMs貼片都能發(fā)揮顯常規(guī)產(chǎn)品（貼片及拭子等）的效率，其所使用的材料生物相容性好，裝載物活性高，受試者依從性大，制作相對(duì)便捷，故具有非常高的臨床轉(zhuǎn)化潛力；除此以外，由于本身是一種不依賴于材料或化學(xué)特性的特殊表面結(jié)構(gòu)所帶來(lái)的互作增強(qiáng)，這種由小腸絨毛所啟發(fā)的結(jié)構(gòu)可以應(yīng)用于多種需要增強(qiáng)交換效率的界面；同時(shí)IMBEMs貼片也可以和多種現(xiàn)有醫(yī)療器械（例如內(nèi)窺鏡，腸鏡，陰道鏡等）相結(jié)合，可以對(duì)難以觸及的部位采樣/遞送，具有廣闊的臨床應(yīng)用前景。

相關(guān)工作近期發(fā)表于材料學(xué)權(quán)威期刊《ACS Nano》上，華中科技大學(xué)基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院藥理學(xué)系博士研究生龔宇晟為本文的第一作者。通訊作者為華中科技大學(xué)同濟(jì)醫(yī)學(xué)院基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院陳偉教授，新加坡國(guó)立大學(xué)陳小元教授。此項(xiàng)工作的細(xì)菌實(shí)驗(yàn)部分由基礎(chǔ)醫(yī)學(xué)院生物化學(xué)與分子生物學(xué)系郭雨松教授團(tuán)隊(duì)提供支持。

此項(xiàng)工作受到中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)，湖北省自然科學(xué)基金，國(guó)家自然科學(xué)基金優(yōu)秀青年科學(xué)基金項(xiàng)目（海外）等項(xiàng)目的支持。

原文鏈接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c02944