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南京工业大学高兵兵团队:仿生超构微流控微针贴片,用于高效伤口管理

更新时间:2024-02-21      点击次数:348

在过去的几十年中,微流控芯片作为处理微小液滴或小体积液体样品的小型实验室装置,具有快速分析、小容量处理和成本效益高等优点。然而,微流控芯片在临床分析领域面临着诸多局限性。为了提高适应性和集成度,有必要向更小、更复杂的尺寸发展。现有的微流控芯片缺乏三维(3D)分析能力,急需开发一种高度集成的超构微流控芯片,以实现多维流体控制。近年来,基于光子晶体(PC)膜的分析方法因其具有非接触、可视化的传感特性而备受关注,具有将生物化学信号转换成光信号的能力,当其结合上微流控微针时,可以实现伤口部位的原位监测和高效管理。


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图1 超构微流控微针(MMMs)用于智能伤口管理(包括运动传感、生化分析和伤口愈合)的示意图



据麦姆斯咨询报道,近日,南京工业大学药学院高兵兵副教授团队在国际材料科学学术期刊《Advanced Functional Materials》(IF=19.00)上发表题为“Rolling Stone Gathers Moss: Rolling Microneedles Generate Meta Microfluidic Microneedles (MMMs)"的研究成果,报道了基于滚动微针制备仿生超构微流控微针芯片(MMMs)用于高效伤口管理的最新研究。研究人员采用市售滚动微针(RMNs)实现双面渗透和图案化设计,使其既能用于制备微针,又可以构建三维多层微流控通道。这种制备方法具有快速简便高效的优势,该生物启发的超构微流控微针贴片在伤口管理、临床给药以及即时诊断(POCT)等领域都具有巨大的发展潜力。南京工业大学药学院硕士二年级研究生周钱为第一作者,高兵兵副教授为该论文的通讯作者。


该研使用了一种特殊的工具——滚动微针(RMNs)。用滚动微针,研究人员首先在拉伸的聚二甲基硅氧烷(PDMS)模具上垂直滚动出负模,再填充所需的材料,真空干燥,最终得到所需的微针(图2)。滚动微针在本文研究中发挥了两种作用,除了上文提及的作为制备微针的模具,另一作用是在膜上创建孔洞,这些孔洞被设计在特定的位置,完成3D微流控通道的构建,实现双面渗透和图案化设计,以方便药物和待测液的输送。当待测液顺着微流控通道自驱流动,到孔洞位置时,待测液将会流入第二层,再顺着通道及孔洞到达第三层,直至到达检测区。滚动微针这种简便的工具,为创建多层次微流控通道提供了新思路。

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图2 超构微流控微针芯片贴片的制作过程和表征

受到大自然中生物体(闪蝶翅膀,孔雀羽毛)利用周期性微观结构创造出许多引人注目的结构色的启发,研究人员利用排列有序的单分散电致变色光子晶体(EPC)纳米粒子,自组装干燥制备了人工合成的光子晶体。其具备周期性结构,能够有选择性地透过或反射特定波长的光。研究人员将滚动微针与光子晶体膜结合,设计的3D多层微流控通道解决了流体自发流动的问题。在毛细力的作用下,流体无需外部驱动力即可自发流动。流体在流过光子晶体膜时会产生明显的颜色反应,还具有荧光增强的功能(图3),因此可应用于监测小鼠伤口的炎症因子(IL-6、CRP)。基于这些特点,这种超构微流控微针芯片在促进组织再生、创面愈合和伤口管理方面的实用性能已通过小鼠伤口模型的全层皮肤创面得到证实(图4)。这些结果表明,超构微流控微针贴片在伤口愈合、组织工程等生物医学领域具有广阔的应用前景。

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图3 超构微流控微针贴片对荧光的选择性增强示意图

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图4 超构微流控微针贴片对表皮伤口的活体治疗评估

综上所述,该研究受生物启发使用滚动微针设计了基于光子晶体的新型超构微流控微针贴片。以轴向阵列排列的滚动微针作为简便的微针设计模板,同时在光子晶体膜上进行了图案化设计促进了双面渗透,形成了3D超构微流控通道。与光子晶体膜的结合,可以产生特别的结构色和荧光增强作用。研究人员对小鼠伤口中的炎症因子(如IL-6和CRP)进行的实时监测证明了超构微流控微针贴片在伤口管理和生物医学应用方面的潜力。本研究在流体控制方面实现了突破,为临床给药和护理点检测的应用提供了新的可能性。

该研究工作得到了国家自然基金、江苏省自然科学基金、南京工业大学药学院学科基金等项目的支持。


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