滚石生花！南京工业大学高兵兵Adv. Funct. Mater.：基于滚动微针制备仿生超结构的微流体微针贴片并用于高效伤口管理

近日，南京工业大学药学院高兵兵副教授团队在国际知名材料科学学术期刊《Advanced Functional Materials》（IF=19.00）发表“Rolling Stone Gathers Moss: Rolling Microneedles Generate Meta Microfluidic Microneedles (MMMs)”的研究成果，该团队报道了基于滚动微针制备仿生超结构微流体微针芯片（MMMs）用于高效伤口管理的最新研究。作者采用商品化滚动微针实现双面渗透和图案化设计，它既能用于制备微针，又可以构建三维多层微流体通道。这种制备方法具有快速简便高效的优势，该生物启发的MMMs贴片的不仅在伤口管理，而且在临床给药、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（研究生国家奖学金获得者）为第一作者，高兵兵副教授为该论文的唯一通讯作者。

Part.1/ 研究背景:

在过去的几十年中，微流体芯片作为处理微小液滴或小型液体样品的小型实验室设备，具有快速分析、小容量处理和成本效益高等优点。然而，微流体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。现有的微流体芯片缺乏三维（3D）分析能力，急需开发一种高度集成的超结构微流体芯片，以实现多维流体控制。近年来，基于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，当其结合上微流体微针时，可以实现伤口部位的原位监测，高效管理。

图1. 超结构微流体微针（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。A.实验中使用的商品化滚动微针正面，侧面和细节图。B.受生物启发的1D,2D和3DPCs。C滚动微针制备基于PC膜的微流体微针示意图。D在伤口愈合的应用示意图及多层结构示意图。

Part.2/设计思路：

作者提出了利用商品化的滚动微针（RMNs）在膜上生成超结构模板的方法，制备出多功能集成的微流体芯片（MMMs）（图1）。通过在所需位置直接使用滚动微针实现双面渗透和图案化设计，它既能用于制作微针，又可以构建三维多层微流体通道。利用制作出来的微流体微针贴片最终实现了全面的伤口管理。

Part.3/研究亮点：

1.滚动微针

本文中的微针（MNs）的制备方式与传统不同，在这里使用了一种特殊的工具，滚动微针（RMNs）。首先在拉伸的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MNs（图2）。如RMNs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, 以方便药物和化验的输送。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。RMNs这种简便的工具，为创建多层面微流体通道提供了新思路。

图2. MMMs 贴片的制作过程和表征。(A) 在 PDMS 模具上滚动 RMNs 后剩余孔的示意图。拉伸模具后，分别填充丝纤维蛋白溶液和EPC单分散纳米粒子。干燥后，用 RMNs穿孔，最后得到不同材料的带孔 的MNs贴片。(B) (i) RMNs 的头部和针细节的正面和侧面示意图（比例尺：25 mm）。(ii) 示意图仅显示 MNs 和特定局部细节。(iii) 示意图仅显示单侧孔及其局部细节。(iv）同时显示 MN 形态和孔及其局部细节的示意图（从 ii 到 iv；比例尺：500 μm）。(C) 使用 RMN 进行轧制的图案示意图分别为 "A"、"F"、"M"、"十"、"N"、"K"、"＃"和 "一"（比例尺：15 毫米）。

2.MMMs上的生物传感器

受到大自然中生物体（闪蝶翅膀，孔雀羽毛）及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。利用排列有序的单分散EPC纳米粒子，自组装干燥制备了人工合成的PC。同样具备周期性结构，有选择性地透过或反射特定波长的光。作者将RMNs与PC膜结合，设计的3D多层微流体通道解决了流体自发流动的问题。由于毛细作用力的，流体无需外部驱动力即可自发流动。随后流过 PC 膜时会产生明显的颜色反应，还具有荧光增强的功能（图3），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MMMs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，MMM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。总体而言，通过RMNs的制备方法，为微流体芯片的设计和流体控制开辟了一条创新之路。这种生物启发贴片不仅在伤口管理，而且在临床给药、POCT等领域都具有巨大的发展潜力。

图3. MMMs 贴片对荧光的选择性增强示意图。(A) (i) 中图像的数码照片。(ii)中PC爱心的图案对不同 pH 值溶液的相应反射光谱。(iii) PC爱心的图案在 550 nm波长处的反射率随溶液的 pH 值变化。(iv) 中不同颜色 PC 薄膜的反射率。(B) 蓝色 PC 薄膜失水后变为透明的过程示意图。(C) 红色和绿色 PC 薄膜在 0、0.25、0.5、0.75 和 1.0 μg/L 罗丹明红荧光染料下的荧光强度示意图。(D) 红色和绿色 PC 薄膜在 0、0.25、0.5、0.75 和 1.0 μg/L 绿色荧光染料作用下的荧光强度示意图。(E) 1 μg/L 红色或绿色荧光染料分别在透明玻璃、红色或绿色 PC 薄膜上的荧光强度示意图。

图4 MMNs 敷料对表皮伤口的活体治疗评估 (A) 不同组别在 0、3、5 和 12 天的代表性照片和伤口轮廓。(比例尺：6 毫米）（平均值 ± SD；n = 6）。(B) 不同组伤口的 HE 染色和 Masson 染色；红色箭头表示伤口边缘（比例尺：6 毫米）。(C) PC 的荧光对 IL-6 和 CRP 不同处理时间的反应（i）。它们的荧光强度比较见 (ii)。(D) 伤口面积的量化（平均值 ± SD；n = 6）。(E) CT26 细胞的活/死染色图像。

Part.4/总结与展望：

综上所述，该研究受生物启发使用了 RMNs 设计基于PC的新型 超结构微流体微针（MMMs） 贴片。以轴向阵列排列的 RMNs 作为简便的微针设计模板，同时在 PC 膜上进行了图案化设计促进了双面渗透，形成了3D超结构微流体通道。与PC 膜的结合，可以产生独特的结构色和荧光增强作用。作者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 MMMs 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。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202316565.