皮膚是人體最大、最易接觸的器官。通過納米微針打開皮膚管道，只需要一張貼片透皮給藥，不僅可以減輕病人痛苦，還有減少毒副作用等優(yōu)點，同時貼片也被做成生物傳感器等用于實時監(jiān)測，因此貼片（patch）受到廣大研究人員的關(guān)注。通過Web of Science（SCI）檢索關(guān)于貼片（patch）研究的發(fā)文情況，截止2021年5月19日，如圖1所示其主要研究方向是生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，其中在化學(xué)和材料科學(xué)領(lǐng)域發(fā)表的文章分別達(dá)到了41395篇和39710篇。因此，本次選擇了近期在Nature/Science子刊上發(fā)表的關(guān)于貼片的部分成果，對它們進(jìn)行簡要的介紹，供大家了解和學(xué)習(xí)!
過渡金屬介導(dǎo)的生物正交催化激發(fā)了人工化學(xué)的一個新分支，與酶促反應(yīng)互補(bǔ)，使生物分子的選擇性標(biāo)記或通過非自然過程原位合成生物活性劑成為可能。然而，由于金屬毒性的安全問題和催化劑的應(yīng)用過程復(fù)雜等原因，生物正交催化在體內(nèi)的有效應(yīng)用仍然具有挑戰(zhàn)性。基于此，浙江大學(xué)顧臻教授（通訊作者）等人報道了一種具有生物正交催化活性的微針陣列貼片裝置。作者以聚乙烯醇（PVA）為基體，沉積有鈀納米粒子（Pd NPs）的TiO2納米片（Pd-TNSs）為納米填料，制備了該微針陣列貼片裝置。其中，摻入Pd-TNSs可以增強(qiáng)微針在干玻璃狀態(tài)下的力學(xué)性能，賦予它們足夠的強(qiáng)度，以微創(chuàng)的方式穿透皮膚。當(dāng)置于水環(huán)境中時，微針就會變成膨脹的水凝膠狀態(tài)，形成多孔結(jié)構(gòu)。因此，三個層次的結(jié)構(gòu)層次，即三維（3D）針陣列、每個針基質(zhì)中的微孔和網(wǎng)絡(luò)中高度暴露的Pd-TNSs表面，促進(jìn)了籠狀分子的擴(kuò)散以與Pd納米粒子接觸，從而促進(jìn)了它們的活化。需注意，通過使用小鼠黑色素瘤模型，證明了系統(tǒng)給藥的前藥N-烯丙基氧羰基籠狀阿霉素（alloc-DOX）的局部腫瘤內(nèi)活化，不僅能夠增加劑量，而且限制了對健康器官和組織的副作用。此外，Pd-TNSs與PVA之間的界面相互作用以及PVA鏈形成的氫鍵使得微針針尖在水合物狀態(tài)下具有足夠的力學(xué)韌性，從而易于去除整個貼片，而不會留下有害的過渡金屬（TMs）或引起炎癥。
研究發(fā)現(xiàn)，簡單、安全和有效的治療細(xì)胞的透皮遞送技術(shù)有助于治療皮膚疾病的細(xì)胞療法。通過皮下注射針頭的常規(guī)細(xì)胞遞送與患者依從性差有關(guān)，存在需要經(jīng)過培訓(xùn)的人員、產(chǎn)生廢物且具有不可忽視的傷害和感染風(fēng)險的問題?；诖?，香港城市大學(xué)Chenjie Xu（通訊作者）等人報道了一種冷凍微針貼片的設(shè)計和概念應(yīng)用，并且該冷凍微針貼片可用于活細(xì)胞的透皮傳遞。這種微針是用預(yù)先懸浮的細(xì)胞在低溫培養(yǎng)基中進(jìn)行分步低溫微模塑法制備而成，在細(xì)胞復(fù)蘇后可以很容易插入豬皮中溶解。在小鼠體內(nèi)，冷凍微針遞送的細(xì)胞保留了它們的生存能力和增殖能力。在患有皮下黑色素瘤的小鼠中，通過冷凍微針遞送的卵清蛋白脈沖的樹突狀細(xì)胞引起了更高的抗原特異性免疫反應(yīng)，并且導(dǎo)致腫瘤生長比靜脈和皮下注射的細(xì)胞更慢。具有生物相容性的冷凍微針可促進(jìn)微創(chuàng)細(xì)胞遞送，用于一系列的細(xì)胞治療。
為了監(jiān)測日?；顒訉θ梭w生理反應(yīng)的影響，需要一種能夠同時跟蹤代謝和血流動力學(xué)參數(shù)的可穿戴器件。基于此，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校Joseph Wang和Sheng Xu（共同通訊作者）等人報道了一種非侵入性皮膚穿戴器件，通過超聲波傳感器同時監(jiān)測血壓和心率，并通過電化學(xué)傳感器同時監(jiān)測多種生物標(biāo)志物。作者優(yōu)化了集成器件，使其在符合彎曲皮膚表面的同時提供力學(xué)彈性和靈活性，并且確保可靠地感知組織間液中的葡萄糖和汗液中的乳酸、咖啡因和酒精，而各個傳感器之間沒有串?dāng)_。在人類志愿者身上，該器件捕捉到了食物攝入和運(yùn)動的生理效應(yīng)，特別是在食物消化后葡萄糖的產(chǎn)生，通過糖酵解消耗葡萄糖，以及血壓和心率的增加，以補(bǔ)償氧氣的消耗和乳酸的產(chǎn)生。通過集成的可穿戴器件進(jìn)行連續(xù)、同步的聲學(xué)和電化學(xué)傳感，可以豐富對人體日常活動響應(yīng)的理解，并且有助于對異常生理變化的早期預(yù)測。
腔內(nèi)缺損的外科手術(shù)修復(fù)與圍手術(shù)期發(fā)病率和死亡率有關(guān)。利用組織粘合劑進(jìn)行血管內(nèi)修復(fù)可以減少宿主組織損傷，但是目前的生物粘合劑設(shè)計不支持微創(chuàng)部署。其中，電壓激活的組織粘合劑為腔內(nèi)修復(fù)提供了一種新的策略。為了促進(jìn)電壓激活粘合劑的臨床轉(zhuǎn)化，新加坡南洋理工大學(xué)Terry W. J. Steele和麻省理工學(xué)院Ellen T. Roche（共同通訊作者）等人報道了將一種電壓激活貼片（ePATCH）與一種帶有可拉伸電極的微創(chuàng)導(dǎo)管（CATRE）配對，以對抗體內(nèi)和體外管腔缺陷的修復(fù)。ePATCH/CATRE平臺展示了在濕組織基底上密封直徑高達(dá)2 mm的管腔缺損。防水密封件具有柔韌性和回彈力，可承受20000多次生理相關(guān)的應(yīng)力/應(yīng)變循環(huán)。當(dāng)心臟跳動時，ePATCH被電激活，沒有觀察到電信號中斷。ePATCH/CATRE平臺具有廣泛的潛在應(yīng)用，從假性動脈瘤/瘺的血管內(nèi)治療到生物電極，再到電生理標(biāo)測。
可穿戴電子器件能夠監(jiān)測人體的生理信號，提供生物醫(yī)學(xué)信息，已成為可持續(xù)的個人健康管理領(lǐng)域的熱點?；诖耍?/span>韓國延世大學(xué)Jang-Ung Park和韓國慶北大學(xué)Hong Kyun Kim（共同通訊作者）等人報道了一種用于無線監(jiān)測和治療慢性眼表炎癥（OSI）的柔性、智能隱形眼鏡和可連接皮膚的治療器件的人類先導(dǎo)性實驗。作為一種診斷器件，這種智能隱形眼鏡能夠使用石墨烯場效應(yīng)晶體管實時測量淚液中基質(zhì)金屬蛋白酶-9（OSI的生物標(biāo)志物）的濃度。作為一種治療器件，作者還制備了一種可拉伸、透明的貼片，可以貼附在人眼瞼上。其中診斷和治療器件都可以使用智能手機(jī)進(jìn)行無線通信，從而實現(xiàn)OSI的實時診斷和自動熱療。此外，作者利用活體動物和人體進(jìn)行的體內(nèi)實驗證實，作為一種無創(chuàng)、可移動的保健解決方案，它們具有良好的生物相容性和可靠性。
心臟貼片是一種向心臟遞送治療藥物的有效方法。然而，這種手術(shù)通常是侵入性且很難進(jìn)行的?；诖?，美國北卡羅萊納州立大學(xué)Ke Cheng（通訊作者）等人開發(fā)并測試一種方法，利用心包腔作為一個自然模型，在心包內(nèi)注射生物相容性水凝膠中的治療藥物后原位形成心臟貼片。在嚙齒類動物心肌梗死模型中，作者證明了心包內(nèi)注射是一種有效且安全的方法來遞送含有誘導(dǎo)多能干細(xì)胞衍生的心臟前體細(xì)胞或間充質(zhì)干細(xì)胞來源的外泌體的水凝膠。在注射后，水凝膠在心包腔形成心臟貼片狀結(jié)構(gòu)，減輕免疫反應(yīng)，增加治療藥物的心臟滯留時間。通過強(qiáng)大的心血管修復(fù)和心外膜源性細(xì)胞的刺激，遞送的治療減輕心臟重構(gòu)和改善心肌梗死后心臟功能。此外，作者在臨床相關(guān)的豬模型上證明了微創(chuàng)心包內(nèi)注射的可行性?？傊?，該研究證實了心包內(nèi)注射是一種安全有效的方法，可以將治療性水凝膠遞送到心臟進(jìn)行心臟修復(fù)。
能源自主性和整合性是下一代可穿戴和柔性電子產(chǎn)品的基本要素，用于醫(yī)療保健、機(jī)器人和信息物理系統(tǒng)。基于此，日本大阪大學(xué)Tsuyoshi Sekitani和奧地利Barbara Stadlober（共同通訊作者）等人首次報道了一種由壓電納米發(fā)電機(jī)、二極管整流器和儲能電容組成的綜合性超柔性能量收集器件（UEHD），所有組件的厚度均不超過2.5 μm，在僅1 μm的聚對二甲苯制成的薄基板上制成。當(dāng)附著在人體皮膚的表面上時難以察覺，作者展示了一種鐵電無線電子保健貼片，可以監(jiān)測脈搏率并測量血壓。納米發(fā)電機(jī)和傳感器都是基于P(VDF:TrFE)70:30的超柔性鐵電聚合物傳感器（UFPTs）。同時，結(jié)合了由有機(jī)二極管制成的超柔性全波整流器電路，具有短OTFT幾何形狀和超柔性薄膜電容器使用納米氧化鋁薄層。作者采用DNTT（二萘并噻吩）作為有機(jī)半導(dǎo)體的二極管顯示出很高的整流比，超過107，并且由于它們的過電壓低于100 mV，因此內(nèi)置的電壓降可忽略不計。其中，UFPTs具有以下優(yōu)點：（1）超柔韌性，使其能夠共形附著于各種材料和表面，并允許將多層UFPTs堆疊在3D形狀的載體上；（2）對平面外（橫向）應(yīng)力的高靈敏度，可通過多層堆疊提高，從而實現(xiàn)預(yù)彎曲橡膠載體上三層堆疊的峰值靈敏度在15 nC N-1范圍內(nèi)；（3）極好的機(jī)械穩(wěn)定性，允許在40 μm彎曲半徑下穩(wěn)定運(yùn)行；（4）響應(yīng)時間非常短，遠(yuǎn)低于20 ms N-1。此外，UFPTs用作脈沖電源時，峰值功率密度超過3 mW cm-3。
微針陣列是一種具有吸引力的選擇，通過微創(chuàng)手段來突破皮膚屏障進(jìn)行有效的透皮給藥?；诖耍?/span>日本東北大學(xué)Matsuhiko Nishizawa（通訊作者）等人報道了一種基于固體聚合物的離子導(dǎo)電多孔微針（PMN）貼片，其可應(yīng)用于改善離子透入方面，是一種通過皮膚的直流電增強(qiáng)透皮分子傳輸?shù)募夹g(shù)。利用帶電水凝膠修飾的PMN在離子電滲療法中有以下三個創(chuàng)新優(yōu)勢：（1）通過低侵入性穿刺高阻力角質(zhì)層來降低透皮阻力；（2）通過相互連接的微孔輸送大分子；（3）產(chǎn)生電滲流（EOF）。特別是，PMN產(chǎn)生的EOF極大地提高了透皮分子的滲透或提取，類似于由外部壓力引起的流動。作者利用豬皮樣品證明了EOF輔助遞送模型藥物（右旋糖酐）和葡萄糖提取的提高效率。此外，通過內(nèi)置的酶生物電池（果糖/O2電池）為基于PMN的透皮EOF系統(tǒng)供電也被證明是一種可能的全有機(jī)離子導(dǎo)入貼片。
在久坐和日?；顒又?，人體自然持續(xù)地分泌汗液進(jìn)行體溫調(diào)節(jié)，其速率可以反映潛在的健康狀況，包括神經(jīng)損傷、自主神經(jīng)和代謝紊亂以及慢性應(yīng)激。然而，低分泌率和蒸發(fā)對收集靜止的體溫調(diào)節(jié)汗液進(jìn)行無創(chuàng)的身體生理學(xué)分析提出了挑戰(zhàn)。基于此，美國加州大學(xué)伯克利分校Ali Javey（通訊作者）等人報道了一種可穿戴式的貼片，將其用于在休息時連續(xù)監(jiān)測汗液，使用微流控技術(shù)來防止蒸發(fā)，并且實現(xiàn)對分泌速率的選擇性監(jiān)測。作者將用于快速吸汗的親水性填充物集成到傳感通道中，減少了實時測量所需的汗液累積時間。此外，作者還集成了用于pH、Cl-和左旋多巴監(jiān)測的電化學(xué)傳感器。作者還展示了與日?；顒印?yīng)激事件、低血糖引起的出汗和帕金森病相關(guān)的動態(tài)出汗分析的貼片功能。通過支持與久坐、常規(guī)和日?；顒蛹嫒莸暮挂悍治?，這些貼片可以在休息時對身體生理進(jìn)行連續(xù)、自主的監(jiān)測。
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