CN111093629A - 微针纹身贴剂和其用途 - Google Patents

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K·J·麦克休
R·S·兰格
H·S·N·贾亚沃登
S·塞维特
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Abstract

已经开发出可以用于将治疗剂、预防剂、诊断剂和/或染料递送到皮肤的微针贴剂。微针封装要递送的一种或多种药剂。这些微针由可生物降解的聚合物形成，该可生物降解的聚合物在插入皮肤或组织后溶解，使得微针从形成贴剂的底物脱落，从而在插入部位留在皮肤/组织中。这些贴剂用于产生纹身或与纹身组合地递送治疗剂、预防剂或诊断剂。在一个实施例中，在微针贴剂的一种应用中，该微针贴剂含有疫苗和染料颜料两者以施用疫苗并记录此类施用。

Description

微针纹身贴剂和其用途
相关申请的交叉引用
本申请要求于2017年7月16日提交的U.S.S.N.62/533,081的优先权，该申请以全文引用的方式并入本文中。
关于联邦政府资助的研究的声明
无。
技术领域
本发明总体上涉及一次性使用的微针纹身贴剂，这些一次性使用的微针纹身贴剂可以应用于在递送药物的同时创建记录、使纹身对眼睛不可见并且应用于农业。
背景技术
纹身通常分为两组-永久性和临时性。人们在自己的皮肤上纹上图案和符号已有数千年的历史，通常使用锋利的物体破坏皮肤表面并且然后将染料、颜料和木炭抹在伤口上。这些染料、颜料和木炭在伤口愈合时仍留在皮肤中。
在农业上，永久性纹身和烙印(烧伤疤痕)已被用来表明所有权。在美国，监管机构要求对动物进行单独标记以分享来源，从而帮助控制疾病。这些可以以纹身的形式，通常是通过将针状字母和数字夹在耳朵内部或者最近使用RFID标签或微芯片植入物来进行的。然而，后者价格昂贵并且可能迁移。人类已经研发出精致的纹身机，以使用连接到一个或多个染料容器的机械化针来产生富有色彩的详细设计。
有许多临时纹身。最古老的纹身之一是将赭石涂敷在皮肤上，最近的是通过如指甲花等植物染料产生的图案。当前，可以使用临时的装饰性皮肤贴花将纹身涂敷到皮肤上，这些贴花在相对较短的时间内就消失了，通常在几小时与几周之间。临时纹身市场依赖于在皮肤粘附材料上印刷的图像上或皮肤染色剂上的纹身。例如，一种类型的基于贴纸的纹身包含放置在衬底纸上的释放片上的印刷图像，其中当衬底纸移除时图像转印到皮肤上。这在皮肤上留下了纹身图案，这些纹身图案在一周多的时间内逐渐消失。喷枪纹身是另一种类型的临时纹身，该种类型的纹身是通过将染料颜料喷洒在置于皮肤上的纹身模板上而产生的。染料颜料染剂持续几个月。
当前没有可用的手段来施加无创且无痛苦的永久性纹身。当前没有可用的装置来制造一次性的、可个性化的并且相对无痛且无创的永久性纹身。当前没有可用的装置来与纹身组合地施加治疗剂、预防剂或诊断剂以识别药剂、日期和/或被施用该药剂的个体。没有可以用来形成在普通光下不可见的纹身的装置。
因此，本发明的目的在于提供此类装置。
本发明的另一个目的是提供制造和使用此类装置以允许无痛、方便且快速地将染料涂敷到皮肤上的方法。
发明内容
已经研发出了微针贴剂。这些贴剂可以用于向皮肤递送治疗剂、预防剂、诊断剂和/或染料(包含染料、颜料、荧光团等，在本文中统称为“染料”)。微针封装要递送的一种或多种药剂。这些微针由可生物降解的聚合物形成，该可生物降解的聚合物在插入皮肤或组织后溶解，使得微针从形成贴剂的底物脱落，从而在插入部位留在皮肤/组织中。聚合物继续降解，从而将一种或多种药剂留在插入部位。
在优选的实施例中，贴剂用于产生纹身。在另一个实施例中，贴剂用于与纹身组合地递送治疗剂、预防剂或诊断剂。在一个实施例中，纹身在普通光下是不可见的，而在红外、荧光或紫外光下是可见的。选择微针的直径和长度、要成像的药剂以及微针中的颗粒大小和位置以及组合物，以与要递送的药剂兼容，并且在期望的部位递送足够量的药剂以使其有效、以最大程度地减少疼痛并在期望的时间范围内(优选地在五分钟或更短时间内)从贴剂中释放出来。
可以将活性剂封装在微针中，以通过受试者的皮肤递送。在一个实施例中，疫苗通过微针贴剂递送。在另一个实施例中，在微针贴剂的一种应用中，微针贴剂含有疫苗和染料色素两者以施用疫苗并记录此类施用。
示例性染料包含无机纳米晶体、基于镧系元素的染料、其它荧光团和非荧光显像剂。优选地，染料是激发波长和发射波长在近红外范围内的近红外显像剂。优选类型的无机纳米晶体是量子点，例如，基于铜的量子点或基于银的量子点。
在嵌入微针结构中之前，染料通常封装在聚合物颗粒中。颗粒保护或减少了封装的染料的光漂白，从而提供了用于针对pH值或氧化环境的变化提高染料的光稳定性的保护环境。在优选的实施例中，缓慢降解的微粒被用于以高负载效率和最小限度的泄漏来封装染料。
微针的布置(大小、间隔距离、数量、密度等)以及其中的染料类型可以对应于唯一信息，如疫苗接种记录、日期或受试者的身份证明。微针在与皮肤接触后3、4、5、6、7、8、9、10或15分钟内溶解或降解，以将封装有染料的颗粒递送到皮肤(优选地，真皮)中，从而留下染料作为至少持续五年的标记/纹身。这些纹身特别可用作医疗贴纸，作为病史的“住院”记录：例如，皮下免疫记录(个人疫苗接种史)、血型或过敏原。
微针图案、成像染料的组合或两者都可以用于在一个微针贴剂中对多条信息进行编码。该概念是使用这一点来帮助必须根据很少的患者信息采取行动的医护人员。在理想情况下，标记将会是肉眼不可见的，但可以使用像移除了ir或uv滤波器的手机一样简单的装置可视化。
贴剂具有许多优点。贴剂易于大量生产、储存和运输。贴剂无需常规针即可容易地施加并且相对无痛。通过施加可生物降解的微针，不会产生具生物有害性锐器。
贴剂应用于国防工业中，可以很好地标记士兵，而无需使用侵入性手段(如芯片)或可能丢失的手段(如“狗牌”)，从而提供可替代的身份证明或医疗记录手段，任选地，同时施用疫苗。
贴剂还可以用于将染料应用于美容目的，如丰唇、使眉毛变黑或递送如肉毒杆菌毒素或生长因子等药剂以减轻皱纹。
贴剂还应用于畜牧业中，从而提供了清洁、相对容易且无痛的方式来永久性地识别动物。可以制作贴剂，使得标记包含组标识(如USDA农场标识号)以及个人标识。
微针可以基于用CAD创建的几何形状，通过首先使用如聚二甲基硅氧烷(PDMS)等材料制作母模；然后通过固化含有可生物降解材料以及染料(荧光/非荧光的)或者封装染料、治疗剂、预防剂或诊断剂的颗粒的溶液/悬浮液来制备。
附图说明
图1A和1B是示意图，示出了纹身植入皮肤中的工作流程以及染料(图1A)或荧光团(图1B)的成像过程。
图2A-2C是线状图，分别示出了在黑色素的吸光度光谱为背景的IRDC3(图2A)、铜量子点(图2B)和银量子点(图2C)的吸光度光谱。
图3A-3C是线状图，分别示出了在黑色素的吸光度光谱为背景的IRDC3(图3A)、铜量子点(图3B)和银量子点(图3C)的发射光谱。
图4A-4C是点状图，分别示出了经过离体光漂白若干天，IRDC3(图4A)、封装在聚(甲基丙烯酸甲酯)颗粒中的银量子点(图4B)和封装在聚(甲基丙烯酸甲酯)颗粒中的铜量子点(图4C)的剩余荧光强度百分比。
图5是水、Hb、HbO2和黑色素在波长(nm)上的吸光度光谱。
图6是线状图，示出了在635nm处激发时镧系元素染料IRDC2的信噪比。
图7是线状图，示出了在808nm处激发时镧系元素染料IRDC3的信噪比。
图8A示出了描绘由于黑色素和/或更深的组织对波长的吸收而导致的染料的量子产率的潜在降低的示意图。当激发光照射到皮肤上时，其可以在到达荧光团之前被黑色素和/或更深的组织吸收。激发的荧光团以可以在从皮肤上发射出去之前被组织和/或黑色素吸收的波长处发射。
图8B和8C是每克染料(8B)的强度和每克颗粒(8C)的强度的图。
图9A-9C是线状图，示出了分别暴露于来自紧凑型荧光灯(CFL)灯泡(图9A)的光、浸没在3微摩尔过氧化氢中(图9B)以及浸没在pH5环境(图9C)中的染料随时间(分钟)推移的荧光强度百分比。
图10是含有显像剂的聚合物颗粒的横截面示意图。
图11是强度对比滤光器波长(nm)的图。
图12A示出了最佳的微针形状和尺寸。图12B和12C是示出了猪耳(12B)和SynDaver(12C)的最佳微针尺寸的图。
具体实施方式
与装饰性纹身不同，用于对病史或医学信息进行编码的在皮肤上的标记具有挑战性，这主要是由于缺乏具有多年光稳定性的适合的油墨或染料以及缺乏用于施用油墨或染料或者从皮肤上对油墨或染料进行成像的装置。尽管在皮肤下使用了基于射频识别(RFID)技术的可植入电子芯片，但市场上没有现有技术可以借助于基于微针的纹身来储存病史。
局部递送治疗活性剂(或显像剂)是用于获得全身或局部性药理作用的非常有用的方法。经皮药物递送的主要挑战是穿过皮肤提供足够的药物渗透。皮肤由多个层组成，该多个层始于约(对人类而言)20微米厚的角质层(包括死细胞)、约70微米厚的活的表皮组织层和约2mm厚的真皮组织层。
当前的局部药物递送方法通常是基于使用渗透增强方法(这些方法经常引起皮肤刺激)以及使用使角质层水合以降低其屏障性质的闭塞性贴剂。允许大部分局部施加的药物渗透穿过皮肤仍然非常具有挑战性，效率非常低。
I.试剂和装置
A.微针贴剂
1.可生物降解的微针
制备微针的方法是熟知的。这些微针通常使用浇铸成模米形成，但是也可以使用其它可用方法产生。
形成微针的材料至关重要。材料必须是可生物降解的，并且材料必须在插入皮肤后几分钟内充分降解，以使微针从底物脱离并留在施用部位。然后，材料必须继续降解以将药剂和/或染料释放在施用部位。在优选实施例中，贴剂压在皮肤上五分钟，并且药剂和/或染料在微针溶解后在皮下沉积。
在一个实施例中，微针由聚乙烯醇(PVA)和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)的组合制成。在另一个实施例中，微针由基于糖的材料制成，使得微针可在施用部位溶解。
用于形成微针的可降解部分的替代材料包含羟基酸，如乳酸和乙醇酸聚乙交酯、聚丙交酯-共-乙交酯以及与PEG的共聚物、聚酸酐、聚(原酸)酯、聚氨酯、聚(丁酸)、聚(戊酸)和聚(丙交酯-己内酯)。这些材料中的大多数需要包含添加剂以增加施用时的溶解速率。
任选地，微针可以含有其它材料，包含金属、陶瓷、半导体、有机物、聚合物和复合材料。优选的构造材料包含医药级不锈钢、金、钛、镍、铁、金、锡、铬、铜、这些或其它金属的合金、硅、二氧化硅和聚合物。
选择用于形成微针的可生物降解材料(例如，聚合物)的类型和/或这些材料在形成微针时的一种或多种浓度，以在体内或在与皮肤接触时提供足够的溶解速率。示例性溶解速率包含在施加到皮肤后1、2、3、4、5、6、7、8、9、10或15分钟内，至少微针的尖端或其中嵌入有染料或封装在微粒中的染料的部分溶解在皮肤中，使得嵌入的染料或封装染料的微粒被释放或沉积在皮肤中。
微针通常会深入穿透到真皮中，以防止含染料的颗粒随皮肤脱落。例如，微针可以具有高度在0.5mm与6mm之间，优选地在1mm与4mm之间，更优选地在1.5mm与2mm之间的圆柱形主体。微针可以具有圆锥形或倾斜的尖端，其中该尖端的高度或长度在0.1mm与1.2mm之间，优选地在0.2mm与0.8mm之间，更优选地在0.3mm与0.4mm之间。施加锋利的微针需要较低的插入力。这些几何形状使微针的锐利度(曲率半径)优于19G或25G的传统微针。
在一个实施例中，微针的高度为1,500μm并且基底的厚度为300μm。
可以将微针布置成一定区域(例如，1cm2、10cm2或50cm2)的m×n个微针的阵列，其中m和n独立地是在2与100或更大的数值之间的整数。激光切割可以引导微针的分布。阵列可以勾勒出正方形、矩形、菱形或圆形的轮廓。阵列中的两个相邻微针之间的间隔或最小距离对于任何两个微针而言可以是相同的，或者可以不同从而导致阵列具有较稠密的微针部分和不那么稠密的部分。
微针通常是有边缘的，优选地是基本上锋利的边缘，以帮助穿透角质层和表皮并进入真皮中。带边缘的微针通常具有圆锥形或倾斜的尖端。
2.贴剂底物
贴剂由在其上形成有微针的柔性底物组成，这些微针含有治疗剂、预防剂或诊断剂和/或封装或分散在其中的染料，优选地首先封装在微粒中。
底物或基底元件包含微针所附着或整体形成于的底物。基底元件可以是具有细长微针的贴剂。贴剂可以由与微针的材料相同或不同的材料形成。基底元件可以由各种材料构成，包含金属、陶瓷、半导体、有机物、聚合物和复合材料。基底元件通常足够厚以进行操控；或者基底元件可以足够薄，以成为粘性膜用于施加于皮肤上从而在可降解微针溶解在真皮中以释放出染料或封装染料的颗粒期间保持与皮肤接触。
这些微针可以朝向成垂直于基底元件或与基底元件成角度。优选地，微针朝向成垂直于底物，使得可以提供每单位面积底物更大密度的微针。微针阵列可以包含微针朝向、高度或其它参数的混合物。
在装置的优选实施例中，基底元件和/或微针以及其它部件由柔性材料形成，以使装置适于装置所施加于的如皮肤等生物屏障的轮廓。因为穿透可以受到附着表面的偏差的限制，所以柔性装置将在使用期间促进更一致的穿透。例如，由于皮纹学(即细小的皱纹)和毛发，人类皮肤的表面不平坦。
在一些实施例中，微针阵列是以在染料从微针转移到皮肤(优选地，真皮)时附着到皮肤的微针“贴剂”的形式构造的。
3.要封装在微针中的药剂
有两类药剂要递送：治疗剂、预防剂和诊断剂(在本文中称为“药剂”)；以及染料、颜料、金属、荧光团、油墨(在本文中称为“染料”)。
a.染料
用于标记皮肤的染料是由可以透过着色的皮肤、对光漂白有抵抗力、对于微针施加到的受试者具有安全性、具有相对较高的量子产率、适于以高负载量负载在颗粒中、具有低背景噪声和/或对于体内环境中的温度、pH或氧化变化在至少一年、2年、3年、4年、5年或更长的时间内具有稳定性的材料制备的。
在一些实施例中，染料封装在如聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)颗粒或聚苯乙烯颗粒等聚合物颗粒中，这提高了安全性，例如，从而产生了与在没有PMMA颗粒的情况下直接将染料递送到微针中相比，毒性降低，这可通过在将微针施加于皮肤中后，细胞凋亡水平下降至少10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％或90％来进行测量。
从皮肤内部对显像剂进行成像时的信噪比(S/N)通常可以由以下公式描述：
S/N＝[(1-组织吸光度)×颗粒负载×量子产率×(1-光漂白和环境降解率)]÷背景噪声。
优选地，用于标记皮肤的染料的S/N比为至少约5，优选地至少约15，并且可以在约50与150之间。
优选地，标记将会是肉眼不可见的。
无机纳米晶体
具有可定制波长的半导电纳米晶体具有高量子产率。示例性半导电纳米晶体是近红外(NIR)发射的荧光无机晶体。NIR发射晶体的发射范围在约900nm与约1,000nm之间，并且荧光是肉眼可见的。这些无机晶体在皮肤下提供标记，其中这些标记是肉眼不可见的并且可以通过适合的成像装置被照亮以可视化。
在一些实施例中，NIR发射的无机染料是铜或银的半导电纳米晶体，这些半导电纳米晶体可以封装在聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)微粒中以嵌入微针中。
在一些实施例中，染料是半永久性或永久性的，其中皮肤下的染料颜料具有较强的光稳定性。例如，在暴露于环境日光和周围环境6个月、1年、2年、3年、5年、10年或更久的时间后，皮肤下的染料颜料未降解或仅降解不到50％、40％或30％。颜料的光稳定性通常是在染料颜料沉积在黑色素着色的人类尸体皮肤下后，使用高太阳辐照度(海平面日光强度的7侪)评估的。
量子点
适合的荧光团的一个实施例是量子点。量子点是非常小的半导体颗粒，通常只有若干纳米大小，非常小以至于它们的光学和电子特性不同于较大的颗粒的光学和电子特性。通常，较大的量子点(例如，半径为5-6nm)发射较长的波长，从而产生如橙色或红色等发射颜色。较小的量子点(例如，半径为2-3nm)发射较短的波长，从而产生像蓝色和绿色一样的颜色，尽管特定的颜色和大小根据QD的确切组成而有所不同。
量子点因其可定制波长、低组织吸收、高量子产率和比含镧系元素的染料小的毒性而适于用作微针中的染料。在一些实施例中，量子点用疏水性有机配体进行表面改性(或稳定化)以增加疏水性，从而与某些疏水性聚合物相容以在聚合物颗粒中具有高负载量。在一些实施例中，不含镉的量子点减轻了对皮肤的潜在毒性。
作为微针的染料的量子点可以由无机材料生产，该无机材料通常是无机导电或半导电材料，包含II-VI族、III-V族、IV-VI族和IV族半导体。适合的半导体材料包含但不限于Si、Ge、Sn、Se、Te、B、C(包含金刚石)、P、BN、BP、BAs、AIN、AlP、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、InN、InP、InAs、InSb、AIN、A1P、AlAs、AlSb、GaN、GaP、GaAs、GaSb、ZnO、ZnS、ZnSe、ZnTe、CdS、CdSe、CdSeZn、CdTe、HgS、HgSe、HgTe、BeS、BeSe、BeTe、MgS、MgSe、GeS、GeSe、GeTe、SnS、SnSe、SnTe、PbO、PbS、PbSe、PbTe、CuF、CuCl、CuBr、Cul、Si3N4、Ge3N4、Al2O3、(Al、Ga、In)2(S、Se、Te)3、Al2CO以及两种或更多种此类半导体的适合的组合。
染料的合成
美国专利第6,225,198号、美国专利申请公开号2002/0066401、美国专利第6,207,229号、美国专利第6,322,901号、美国专利第6,949,206号、美国专利第7,572,393号、美国专利第7,267,865号、美国专利第7,374,807号、美国专利申请20080118755和美国专利第6,861,155号中总体上描述了作为用于包含在微针中的染料的量子点或无机纳米结构。
用于包含在微针中的示例性量子点包含低毒性、高量子产率的基于铜的量子点，如具有硫化锌(ZnS)覆盖从/薄膜的硒化铜铟，任选地掺杂有铝，即CuInSe2/ZnS：Al；以及基于银的量子点，如具有硒化银铟的核和ZnS的壳的近红外发射量子点，任选地掺杂有铝，即AgInSe2/ZnS：Al。
其它荧光团
适于在皮肤上进行标记的另一种类型的染料是荧光团。荧光团是可以在光激发后重新发射光的荧光化学化合物。优选地，在环境日光照射下肉眼不可见的荧光团被用作微针的染料。
在一些实施例中，基于镧系元素的染料IRDC3或IRDC2用作用于包含在微针中的染料。
非荧光染料
用于包含在微针中的其它示例性染料包含非荧光分子，如顺磁性分子、磁性分子和放射性核素。
纹身油墨和染料
碳(烟灰或灰)经常用于黑色。用作颜料的其它元素包含锑、砷、铍、钙、铜、锂、硒和硫。纹身油墨制造商通常会共混重金属颜料和/或使用增亮剂(如铅或钛)以降低生产成本。一些颜料包含无机材料，如赭石。
也可以使用天然材料，如指甲花。
b.活性剂
除了递送染料或油墨分子之外或与递送染料或油墨分子分开地，微针还适于递送活性剂(例如，治疗剂、预防剂或诊断剂)。
在一些实施例中，将活性剂封装、吸收、共价键合或改性到封装染料的相同微粒的表面上。在其它实施例中，将活性剂封装、吸收、共价键合或改性到与递送染料或油墨分子的那些颗粒不同的颗粒的表面上。
在一些实施例中，将活性剂封装、吸收、共价键合到微针，这些活性剂在微针溶解后释放到皮肤中。
示例性活性剂可以是蛋白质或肽、糖或多糖、脂质、核苷酸分子或其组合，或合成的有机和无机化合物，如分子量小于2000D，更优选地小于1000的低分子量化合物。
优选的活性剂是疫苗抗原。其它药剂包含胰岛素、抗感染药、激素、生长调节剂和用于疼痛控制的药物。通常，以对局部治疗有效的剂量施用药剂。
微针阵列还可用于向皮肤中递送特定的化合物或活性物质，如化妆品化合物或营养物质或无需去美容外科诊所就可以皮下地递送的各种皮肤结构改性剂。另外，还可以皮下地递送彩妆以便为皮肤提供长期益处，并且甚至可以通过使用微针贴剂来递送化妆品或口红型着色化合物。彩妆被递送到表皮或真皮中，这些彩妆在表皮或真皮中保持在位至少一或两个月或甚至更长的时间(例如，几年)。由于表皮是可再生的，因此递送到那里的药剂最终将会耗尽；并且然后将从体内清除。这使人可以根据时尚和风格的变化(该时尚和风格通常每个季节都在改变)改变其“外观”。
4.用于封装染料和/或活性剂的微粒
在优选的实施例中，微粒用于封装染料和/或药剂并且提供这样的环境：其中染料和/或药剂在化学上是稳定的或设置有物理保护，例如在生物环境中有减少的或最小限度的光漂白或其它负面影响。
在某些实施例中，微粒是缓慢降解的颗粒，使得封装的染料被保护1个月、2个月、3个月、6个月、1年、2年、5年或更长时间。
在一些实施例中，微粒可以将封装的染料的氧化减少至少50％、60％、70％、80％、90％或更多。例如，将IRDC3封装在颗粒中使3微摩尔过氧化氢的氧化作用降低98％。
在一些实施例中，微粒还用于保护皮肤免受与染料或高浓度的染料有关的毒性。微粒通常不干扰通过皮肤的照明或发射或染料信号。
通常用生物惰性材料制备用于封装染料的微粒或纳米颗粒。选择微粒的大小以允许染料或活性剂具有高负载并支持在皮肤中长时间停留。
示例性聚合物包含但不限于由以下制备的聚合物：内酯如聚(己内酯)(PCL)、聚羟基酸和其共聚物，如聚(乳酸)(PLA)、聚(L-乳酸)(PLLA)、聚(乙醇酸)(PGA)、聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA)、聚(L-乳酸-共-乙醇酸)(PLLGA)、聚(D，L-丙交酯)(PDLA)、聚(D，L-丙交酯-共-己内酯)、聚(D，L-丙交酯-共-己内酯-共-乙交酯)、聚(D，L-丙交酯-共-PEO-共-D，L-丙交酯)、聚(D，L-丙交酯-共-PPO-共-D，L-丙交酯)以及其共混物、聚氰基丙烯酸烷酯、聚氨酯、聚氨基酸(如聚-L-赖氨酸(PLL)、聚(戊酸)和聚L-谷氨酸)、甲基丙烯酸羟丙酯(HPMA)、聚酸酐、聚原酸酯、聚(酯酰胺)、聚酰胺、聚(酯醚)、聚碳酸酯、乙烯乙酸乙烯酯聚合物(EVA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醚、聚乙烯酯(如聚乙酸乙烯酯)、聚乙烯基卤化物(如聚(氯乙烯)(PVC))、聚乙烯吡咯烷酮、聚硅氧烷、聚苯乙烯(PS)、纤维素(包含衍生的纤维素，如烷基纤维素、羟烷基纤维素、纤维素醚、纤维素酯、硝基纤维素、羟丙基纤维素和羧甲基纤维素)、丙烯酸类聚合物(如聚((甲基)丙烯酸甲酯)(PMMA)、聚((甲基)丙烯酸乙酯)、聚((甲基)丙烯酸丁酯)、聚((甲基)丙烯酸异丁酯)、聚((甲基)丙烯酸己酯)、聚((甲暴)丙烯酸异癸酯)、聚((甲基)丙烯酸月桂酯)、聚((甲基)丙烯酸苯酯)、聚(丙烯酸甲酯)、聚(丙烯酸异丙酯)、聚(丙烯酸异丁酯)、聚(丙烯酸十八酯)(在本文中统称为“聚丙烯酸”))、聚二恶烷酮以及其共聚物、聚羟基烷酸酯、聚富马酸丙烯酯、聚甲醛、泊洛沙姆、聚(丁酸)、三亚甲基碳酸酯和聚磷腈。
B.成像
纹身可以是可见的或者可以是“隐藏的”，使得纹身仅在暴露于IR或UV或其它特殊光下才可视化。
纹身可以用于创建仟何图像和/或用于标识或独特签名。
微针阵列可以被设计成指示对特定疫苗接种或其它特定医学信息的标识。例如，微针的数量、其组织/朝向、其间隔距离和/或掺入到微针中的一种或多种染料的特定类型可以单独地或组合地与要储存在皮肤下的特定信息(即签名)相关。
可以选择这些类型的染料以指示对特定疫苗接种或其它特定医学信息的标识。例如，可以通过不同的微针施加具有不同的激发/照明波长和/或具有不同的发射波长的染料或油墨分子，以对应于不同的疫苗接种、药品施用或其它医学程序。
包含微针的贴剂可以用人类手指手动地致动或者使用电化学气体发生器电气地致动。
为了使染料或纹身在皮肤上成像，装置被用来照亮或可视化并且任选地捕获和存储照亮的染料或纹身的信息。例如，可以修改具有一些成像能力的便携式装置或手机以使皮肤上的标记可视化。
可以使用标准装置或将标准装置修改成包含激发源、发射滤波器、电源(例如，电池)和/或与装置外壳集成，以及用于启动成像、存储来自标记的信息和/或识别来自标记的信息的适合的用户界面。
例如，可以修改手机以使标准光下不可见的图像可视化。通常，激光二极管和电池集成到手机外壳中，以产生恰好具有染料的激发波长的光。为了使NIR染料成像，移除了手机相机上的备用IR滤波器；并且在相机镜头的顶部添加了长通或带通滤波器，以滤除不需要的光。
在一个实施例中，可以通过添加外部低功率NIR激光二极管(808nm)和可调准直仪来修改智能电话(例如，GOOGLE、NEXUS)。在一个实施例中，将带通滤波器放置在相机片上方，使得相机仪记录适于使NIR发射的无机纳米晶体成像的900-1000nm的发射波长。在优选的实施例中，电话被修改为使用具有800nm短通滤波器的780nm LED。在另一个实施例中，将850nm的长通彩色玻璃滤波器与介电滤波器串联使用以减少背景信号。介电滤波器通常更锋利并且具有更完整的截止频率。该两个滤波器减少了增加的背景信号。为了使NIR发射的无机纳米晶体成像，从智能手机相机模块移除IR截止滤波器。向激光二极管供电的外部电路具有电源按钮，使得激光可以从外部通电。
通常在装置(例如，手机)中安装适合的软件，以处理检测到的图像并识别电话上的标记从而消除潜在的用户错误。软件可以包含灰度处理、二值化和降噪算法，以优化信号进行检测。在处理近红外染料IRDC3的图像的一些实施例中，软件在检测到的荧光团周围生成正方形。
II.制备方法
A.制造
1.微针的制造
微针通常足够长且足够锋利，以深入穿透到真皮中。这些长且锋利的微针可能难以使用传统的微制造技术实现。使用了涉及模具的不同制造工艺。
首先，在计算机辅助绘图(CAD)软件中创建微针的几何形状。可以基于用CAdD创建的几何形状依据双光子聚合制备微针主模具，并且将制成的针设计转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液中，该溶液硬化形成针的互补模具。将可生物降解溶液混合物与染料(荧光/非荧光的)颜料的溶液一起添加到PDMS模具中、进行足够时间(例如，过夜)的离心并抽真空以除去任何捕获的气泡。将所得的微针贴剂从PDMS模具上剥离。
可替代地，通过微成型方法、微压纹方法或微注射方法来制造微针阵列。例如，可以用于制备微针的微制造工艺包含光刻；蚀刻技术，如湿法化学、干法和光刻胶去除；硅的热氧化；电镀和无电镀；扩散工艺，如硼、磷、砷和锑扩散；离子注入；薄膜沉积，如蒸发(细丝、电子束、闪光以及遮蔽和台阶覆盖)、溅射、化学气相沉积(CVD)、外延(气相、液相和分子束)、电镀、丝网印刷、层压、立体光刻、激光加工和激光烧蚀(包含投影烧蚀)。总体上参见Jaeger，《微电子制造入门(Introduction to Microelectronic Fabrication)》(马萨诸塞州雷丁的Addison-Wesley出版公司(Addison-Wesley Publishing Co.，Reading Mass.)，1988)；Runyan等人，《半导体集成电路处理技术(Semiconductor Integrated CircuitProcessing Technology)》(马萨诸塞州雷丁的Addison-Wesley出版公司，1990)；《1987-1998年IEEE微机电系统会议记录(Proceedings of the IEEE Micro Electro MechanicalSystems Conference)》；Rai-Choudhury编，《微光刻、微机械加工和微制造手册(Handbookof Microlithography，Micromachining&Microfabrication)》(华盛顿州贝灵翰姆的SPIE光学工程出版社(SPIE Optical Engineering Press，Bellingham，Wash.)，1997)。
2.染料或药剂在颗粒中的封装
可以通过一种或多种技术将染料或药剂封装在颗粒中，以允许在约5％与80％(wt/wt)之间、在约10％与50％(wt/wt)之间或约10％、20％、30％、40％或50％wt/wt的高负载量。
可以将治疗剂、预防剂或诊断剂封装在封装染料的相同微粒中或封装在不同的微粒中。封装治疗剂或预防剂的此类颗粒能够控制释放治疗剂或预防剂到皮肤中。
用于制备用于封装染料和药剂的聚合物颗粒的适合的技术包含但不限于乳化、溶剂蒸发、溶剂去除、喷雾干燥、相转化、低温浇铸和纳米沉淀。可以在颗粒形成期间将显像剂、治疗剂或预防剂以及药学上可接受的赋形剂掺入颗粒中。
在一个实施例中，在封装之前将NIR染料研磨到数百纳米。可以使用双重乳化技术将NIR染料封装在PMMA颗粒中。在一些实施例中，用不可降解的材料制备颗粒以封装染料，以便测定来自如光漂白等其它因素的信号中的单独的基于释放(例如，从颗粒中浸出染料)的损失。
乳化或溶剂蒸发
在此方法中，将一种或多种聚合物溶解在如二氯甲烷等挥发性有机溶剂中。然后，通常在探针超声处理下将含有聚合物的有机溶液悬浮于含有乳化剂(例如，表面活性剂，如聚(乙烯醇))的水溶液中持续一段时间(例如，2分钟)以形成乳液。染料和/或活性剂可以与聚合物一起溶解于有机溶剂中或溶解于水溶液中，这取决于其亲水性/疏水性。在磁力搅拌下将乳液加入到另一个大体积的乳化剂中以使有机溶剂蒸发。搅拌所得乳液，直到大部分有机溶剂蒸发，从而留下固体纳米颗粒。用水洗涤所得颗粒并在冻干机中干燥过夜。通过此方法，可以获得具有不同大小和形态的颗粒。
溶剂去除
在此方法中，将聚合物、染料和/或活性剂以及颗粒的其它组分分散或溶解于适合的溶剂中。然后通过搅拌将此混合物悬浮于有机油(如硅油)中以形成乳液。由乳液形成固体颗粒，随后可以将这些固体颗粒与上清液分离。
喷雾干燥
在此方法中，将聚合物、染料和/或活性剂以及颗粒的其它组分分散或溶解于适合的溶剂中。通过由压缩气体流驱动的微粉化喷嘴来泵送溶液，并且将所得气雾剂悬浮于加热的空气旋风中，从而使溶剂从微滴中蒸发，形成颗粒。
相转化
在此方法中，将聚合物、染料和/或活性剂以及颗粒的其它成分分散或溶解于“良好”溶剂中，并且然后将溶液倒入强非溶剂中以供聚合物组分在有利的条件下自发地产生纳米颗粒或微粒。
低温浇铸
Gombotz等人的美国专利第5,019,400号中描述了用于以非常低的温度浇铸颗粒的方法。在此方法中，将聚合物、染料和/或活性剂以及颗粒的其它组分分散或溶解于溶剂中。然后将混合物在低于溶液的凝固点的温度下雾化到含有液体非溶剂的容器中，该容器将聚合物、染料和/或活性剂以及颗粒载剂的其它组分冷冻成微小的液滴。在组分的液滴和非溶剂升温时，液滴中的溶剂融化并且被萃取到非溶剂中，从而使颗粒硬化。
3.制备具有封装染料和/或活性剂的嵌入颗粒的微针
可以在模具中将封装染料和/或活性剂的颗粒与聚合物溶液/悬浮液共混或混合，以形成其中嵌入有此类颗粒的固化的微针。
B.灭菌和包封
通常对微针和微针所附接或整体形成于的底物或基底元件进行灭菌和包封以供储存和运输。形成的微针和基底元件可以通过伽马辐照、UV灭菌或不干扰或损坏封装的染料的物理结构和电光特性的其它技术进行灭菌。
III.使用方法
图1A和1B是示意图，示出了纹身植入皮肤中的工作流程以及染料(图1A)或荧光团(图1B)的成像过程。
微针的布置(大小、间隔距离、数量、密度等)以及其中的染料类型可以对应于唯一信息，如疫苗接种记录、日期或受试者的身份证明。微针在与皮肤接触后3、4、5、6、7、8、9、10或15分钟内溶解或降解，以将封装有染料的颗粒递送到皮肤(优选地，真皮)中，从而留下染料作为至少持续五年的标记/纹身。这些纹身特别可用作医疗贴纸，作为病史的“住院”记录：例如，皮下免疫记录(个人疫苗接种史)、血型或过敏原。
微针图案、成像染料的组合或两者都可以用于在一个微针贴剂中对多条信息进行编码。该概念是使用这一点来帮助必须根据很少的患者信息采取行动的医护人员。在理想情况下，标记将会是肉眼不可见的，但可以使用像移除了ir或uv滤波器的手机一样简单的装置可视化。
贴剂具有许多优点。贴剂易于大量生产、储存和运输。贴剂无需常规针即可容易地施加并且相对无痛。通过施加可生物降解的微针，不会产生具生物有害性锐器。
贴剂应用于国防工业中，可以很好地标记士兵，而无需使用侵入性手段(如芯片)或可能丢失的手段(如“狗牌”)，从而提供可替代的身份证明或医疗记录手段，任选地，同时施用疫苗。
贴剂还可以用于将染料应用于美容目的，如丰唇、使眉毛变黑或递送如肉毒杆菌毒素或生长因子等药剂以减轻皱纹。贴剂的优点是可以在使用前对其进行修剪或定型，以使纹身个性化，从而适合个体和应用部位。
贴剂还应用于畜牧业中，从而提供了清洁、相对容易且无痛的方式来永久性地识别动物。可以制作贴剂，使得标记包含组标识(如USDA农场标识号)以及个人标识。
在一个实施例中，微针贴剂用于生成可以用于跟踪儿童的疫苗接种史的皮下标记系统。
包含微针贴剂和任选地成像装置的皮肤纹身系统不涉及侵入性程序。通常在对医疗技能或医疗资源要求不高的情况下应用该系统。该系统可以在诊所、学校、农场或田地应用。
微针贴剂不重复使用，从而避免了交叉污染。针在首次施加到皮肤时溶解，从而不会在任何后续使用中留下微针或染料。
A.应用：自己或医学专业人员
将贴剂压在皮肤上五分钟，染料颜料将会在微针溶解后在皮下沉积。
B.数据存储、传送和读取
通常，医学信息可通过对皮肤纹身进行成像以访问浸渍的信息轻松获得并且不需要患者数据库。可替代地，包含自己的病史的患者信息从具有从患者身上的纹身标记收集和解译的数据的数据库中存储并且可下载。
实例
实例1.荧光染料的光稳定性：基于镧系元素的无机染料、基于铜的量子点和基于银的量子点。
方法
染料的制备和微粒中的封装
获得基于镧系元素的无机染料材料IRDC3。合成包含核壳结构的基于铜的量子点(铜QD)，其中核包含硒化铜铟并且壳包含掺杂有铝的硫化锌涂层/薄膜/覆盖层，表示为CuInSe2/ZnS：Al。此基于铜的量子点的量子产率在40％与50％之间。基于铜的量子点比CdTe QD的体外的毒性低7,000倍并且以258μg/kg的剂量安全地用于小鼠(目标为3.36微克/人)(Ding K等人，《生物材料(Biomaterials)》2014；35：1608-17)。
合成包含核-壳结构的基于银的量子点(银QD)，其中核包含硒化银铟并且壳包含掺杂有铝的硫化锌薄膜，表示为AgInSe2/ZnS：Al(银QD)。此基于银的量子点的量子产率高达50％。
结果
这些QD被证实在透射电子显微镜(TEM)下具有纳米级尺寸。在扫描电子显微镜(SEM)下检查IRDC3。
制备聚(甲基丙烯酸甲酯)(PMMA)微粒以封装这些荧光团，从而得到在PMMA颗粒中以60％的负载封装的银QD；在PMMA颗粒中以60％的负载封装的铜QD；以及在PMMA颗粒中负载为1％的IRDC3。
1.发射波长与黑色素吸收波长不重叠。
图2A-2D分别示出了IRDC3、铜QD和银QD的吸光度光潜。黑色素的吸光度光谱也在每个光谱中示出。
图3A-3C分别示出了IRDC3、铜QD和银QD的发射光谱。黑色素的吸光度光谱也在每个光谱中示出。IRDC3、铜QD和银QD的发射光谱与黑色素的吸光度光谱具有很少、甚至没有重叠，这表明这三种染料是用于递送到皮肤中的适合的染料材料，因为这些染料的信号不会被黑色素吸收，因此是可检测的。
2.IRDC3示出优于QD的体外光稳定性。
方法
将荧光团悬浮液滴铸在载玻片上。将样品暴露于以7倍强度模拟太阳光谱的光下并在模拟的84天中纵向地成像以观察光漂白。通过扩展15侪的500mW 808nm激光、带通850-1100nm发射滤波器和近红外相机进行成像。
结果
在模拟的84天暴露期间，滴铸的IRDC3的强度没有降低。滴铸的QD的表现很差，可能是因为其激发光谱较宽。
表1.84天光漂白后的荧光强度
NIR颜料 剩余荧光强度(％)
IRDC3 100.1±2.2
PMMA中的IRDC3 80.7±7.6
PMMA中的Ag QD 15.3±1.5
PMMA中的Cu QD 6.9±4.5
3.铜QD示出优于银QD或IRDC3的离体光稳定性。
方法
将荧光团纹身到从尸体获得的着色的人类腹部皮肤上并进行纵向成像。来自封装在PMMA中的IRDC3的信号非常低，以至于必须与其它样品分开成像。
未封装的IRDC3、封装在PMMA颗粒中的IRDC3、封装在PMMA颗粒中的铜QD和PMMA颗粒中的银QD在暴露于阳光之前的初始强度(归一化)分别为1.00±0.00、0.12±0.01、3.82±0.00和0.70±0.02。
结果
铜QD在84天模拟日照开始和结束时均为最亮。
图4A-4C分别示出了在研究过程中，IRDC3、PMMA中的银QD和PMMA中的铜QD的离体光稳定性。表2示出了研究结束时的剩余荧光强度(％)。
表2.模拟暴露三个月后离体荧光团的光稳定性。
荧光团 剩余荧光强度(％)
IRDC3 20.0±4.5
PMMA中的IRDC3 3.4±0.1
PMMA中的Au QD 20.1±1.7
PMMA中的Cu QD 61.6±1.3
4.人类尸体皮肤的光稳定性。
表3概述了3个月模拟暴露后人类尸体皮肤中染料的剩余信号的百分比。
表3.在3个月模拟暴露后，每种染料的剩余信号(％)在滴铸于石英载玻片上与纹身于人类尸体皮肤下之间的比较。
NIR颜料 滴铸于石英载玻片上 纹身于人类尸皮肤下
IRDC3 100.1±2.2 20.0±4.5
PMMA中的IRDC3 80.7±7.6 3.4±0.1*
PMMA中的Ag QD 15.3±1.5 20.1±1.7
PMMA中的Cu QD 6.9±4.5 61.6±1.3
在着色的皮肤下，IRDC3经历比直接暴露在光下更大的强度损失。
铜QD在着色的人类皮肤下的性能比直接暴露于光下好得多，这可能是因为黑色素有助于吸收UV和可见光，如图2B所示。图5是水、Hb、HbO2和黑色素在波长(nm)上的吸光度光谱。
实例2.对基于镧系元素的无机染料IRDC2、IRDC3、IRDC4、IRDC5和IRDC6的评估。
使用具有互补金属氧化物半导体(CMOS)相机的定制系统在近红外(NIR)范围内高效地成像。该系统在类似水平的位置上依次包含激光源、扩束器和反射镜，使得聚焦的激光在反射镜处反射以在样品所在的桌上出现光斑。该系统兼容对发射波长在800-1100nm范围内的NIR染料进行成像。使用此系统选择具有最高信噪比的染料。
基于镧系元素的NIR染料IRDC2的激发波长低于700nm并且在880nm和1070nm处具有发射尖峰。IRDC2的量子产率约为85％。图6示出了在635nm激发波长下通过着色的人类皮肤对IRDC2进行成像时，不同的发射波长导致不同的信噪(S/N)比：700nm时，S/N＝1.87；750nm时，S/N＝1.84；800nm时，S/N＝2.44；850nm时，S/N＝4.58；900nm时，S/N＝4.75；950nm时，S/N＝2.24。因此，当在环境光下成像时，在着色的人类皮肤中，IRDC2的最佳S/N(4.75)在635/900nm处实现。
另一个基于镧系元素的NIR染料IRDC3在800-830nm附近具有最高激发峰并且在970-1030nm附近具有最高发射峰。IRDC3的量子产率约为65％。图7示出了当使用激光二极管在808nm处激发时如通过不同的长通滤波器(LPF)实现的以不同波长发射时IRDC3在人类皮肤中的信噪比：LPF＝850nm时，S/N＝4.75；LPF＝900nm时，S/N＝6.34；LPF＝950nm时，S/N＝9.95；LPF＝1000nm时，S/N＝17.76；LPF＝1050nm时，S/N＝2.40。在正常的环境光下用集成的智能手机收集图像时，在猪皮和着色的鸡皮所覆盖的猪皮中均检测到成阵列的各个点。
当用900nm长通滤波器成像时，在不同波长下激发时，人类皮肤中的IRDC3具有不同的S/N：635nm时，S/N＝3.12；670nm时，S/S＝2.56；780nm时，S/N＝9.16；808nm时，S/N＝6.34；830nm时，S/N＝4.76；850nm时，S/N＝2.47。
另一种基于镧系元素的NIR染料IRDC4具有红色激发和NIR发射。即使使用最佳的激光和LPF，IRDC4在人类皮肤中的信噪比也非常低。在635nm处激发时：LPF＝700nm时，S/N＝1.88；LPF＝750nm时，S/N＝1.74；LPF＝800nm时，S/N＝2.08；并且LPF＝850nm时，S/N＝1.95。
另一种基于镧系元素的NIR染料IRDC5具有红色激发和NIR发射。即使使用最佳的激光和长通滤波器，IRDC5在人类皮肤中的S/N也非常低。由于发射偏移，IRDC5的S/N优于IRDC4。当在635nm处激发时，使用不同的滤波器时，人类皮肤中的IRDC5发射的波长具有不同的S/N比：使用700nm滤波器时，S/N＝3.63；使用750nm滤波器时，S/N＝1.99；使用800nm滤波器时，S/N＝2.83；并且使用850nm滤波器时，S/N＝2.68。
在上文测定的镧系元素染料中，IRDC3和IRDC2是很有希望的候选物。IRDC3和IRDC2的最佳S/N在高波长下，这有助于减少黑色素和组织在激发前和发射后的光吸收。如上文所讨论的，可以使用更高的激光功率(例如，从0.05mW/mm2增加到10或100mW/mm2)或滤波器提高信噪比。这里使用了≤0.07mW/mm2，而激光指示器通常在6与127mW/mm2之间。增加的激光功率通常不会损坏皮肤。通过使用带通滤波器和/或在成像期间去除环境光，也可以提高信噪比。
实例3.对大小和锐利度对与将微针施加于皮肤并在皮肤中溶解有关的疼痛的影响的评估。
向掺入到聚合物微针中的聚合物颗粒中施用显像剂增加了重现性、敏感性和制造的简易性。
这样做的其它优点包含低成本、易于处理(滴入漂白剂桶中)以及能够递送较大的材料，从而增加了与表面吸附率的反差。
进行了研究以优化微针的直径、长度、形状和颗粒的掺入。
材料和方法
使用微成型技术生产由78％聚乙烯醇(PVA)和22％聚乙烯吡咯烷酮(PVP)构成的微针。
通过共混并浇铸到微针模具中来轻松地负载染料。锥形(或铅笔形)微针在机械上是稳定的。
制备负载有20％IRDC3的微针，以清楚地描绘微针的尺寸和染料的负载。此微针具有近圆柱形主体、长度为1.25mm、直径接近0.3mm并且圆锥形尖端的长度为0.25mm。在成像下，由于出于描绘目的的超载，染料不仅存在于尖端，而且存在于主体的很大一部分。
还制备了具有类似尺寸但在PMMA颗粒中负载有17％银QD的微针并进行成像。在PDMS贴剂上制备在PMMA颗粒中负载有17％铜QD的4×4的微针阵列，每个微针的尺寸类似。将4×4阵列中的微针隔开，使得阵列为1cm×1cm。
将微针制造成在最宽点处为300微米并且长1.5-2.0mm，这对应于疼痛等级1-10中的1.5。
结果
微针在皮肤施加5分钟内溶解到其初始高度的不到50％，在人类腹部皮肤上留下了将会在活组织中立即闭合的小穿刺孔。
表4概述了微针的尺寸和与受试者有关的任何疼痛以及穿透力。
表4.微针的尺寸、有关疼痛和穿透力。
规格 外径(微米) 疼痛(％)[95％CI]* 穿透力(N)[95％]*
28 362 19.2[14.2-24.1] 0.32[0.30-0.34]
30 311 15.0[10.1-20.0] 0.29[0.27-0.30]
32 235 14.6[9.6-19.6] 0.25[0.23-0.26]
*Praestmark KA等人的《BRM糖尿病研究及护理开放获取期刊(BRM OpenDiabetes Research and Care)》2016；4：e000266中报告的值。
Masid MLS等人的《神经科学护理期刊(J Neurosci Nurs)》47：E22-30描述了与针直径有关的疼痛是微小的并且对于长度为4mm、6mm和8mm的针通常没有统计学意义。
针只能穿透皮肤针高的1/2到2/3的距离。选择300微米的直径，相当于30G针。对于长期标记，需要更长的长度才能到达不脱落的皮肤层。这相当于约1500微米的长度，与之相比，大多数微针的长度为400到700微米。
还重要的是，优化形状和尺寸以促进穿透，使得穿透尽可能简单，而无需单独的施加器，从而最大程度地降低信噪比、维持粘附性直到包含显像剂的微针尖端从贴剂上“脱落”下来以留在皮肤中，并且尽可能无痛。
如下面以及图12A和12B所展现的，最佳形状是圆锥形。圆锥形用作基线(0)。由于仅微针的顶部需要溶解，因此将圆柱与圆锥的比例增加到1∶1使体积增加四侪。将圆柱与圆锥的比例增加到5∶1使比例增加到体积的9.3倍。
这些参数使穿透力最小化，同时使有效载荷最大化。结果是最佳参数为高度为1500微米并且直径为300微米。对轴向负载、弯曲和屈曲建模展现出，最佳形状和尺寸是750微米圆锥在750微米圆柱顶部。
在施加低于10N的力以插入微针的情况下，这些参数允许使用约450根针的阵列(范围为300到600，但是用更多的针获得了更高的分辨率和更清楚的图像)。
通过用如高分辨率3D打印(2光子)等技术制备微针以产生非常锋利的尖端来进一步增强施加的简易性。
实例4.对显像剂的选择、负载和波长对信号衰减的影响
有机荧光团是明亮的，但容易光漂白。无机荧光团非常耐光，但展现出低强度、含有不希望的元素并且无法使用乳化法容易地封装。
通过以下获得经过改善的信号：
增加微针尖端中显像剂的负载。
增加增大的粒径以避免巨噬细胞清除。
还优先将显像剂负载到微针尖端中，以最大化保留在皮肤中的信号。
硬件也进行了优化，以增加主动成像并且减少背景信号。
聚合物颗粒的增加的负载
半导体纳米晶体(SNC)明亮且耐光并且可以由生物相容性元素制成，尽管有由于存在如镉和铅等元素而引起的毒性问题。也可以将SNC改性为可溶于有机物中以产生高百分比封装(例如，总质量的60％，使用水包油乳液)。
合成克量级的具有NIR发射的基于铜和银的量子点并使用乳化法封装在60％w/w的聚(甲基丙烯酸甲酯)中。选择大小以最小化巨噬细胞清除。在两个月的时间内未观察到颗粒在体内有可观察到的不利影响。
图5示出了描绘由于黑色素和/或更深的组织对波长的吸收而导致的染料的量子产率的潜在降低的示意图。当激发光照射到皮肤上时，其可以在到达荧光团之前被黑色素和/或更深的组织吸收。激发的荧光团以可以在从皮肤上发射出去之前被组织和/或黑色素吸收的波长发射。
在聚合物颗粒(示例性聚合物是聚甲基丙烯酸甲酯PMMA)中负载更多的SNC会增加每个颗粒的信号。使用乳化法，展现出按重量计从37.5％负载增加到60％负载。这使信号增加60％(1.6倍)。
为了使成像最大化，进行了以下研究。
用于成像的经过修改的手机：
对于着色的人类皮肤，由于滤波器的限制和黑色素对光的吸收，现有的IVIS(体内成像系统)无效。例如，当用IVIS成像时，基于镧系元素的染料IRDC2通过着色的人类皮肤具有强信号衰减。
修改的手机能够对分别在808nm和950nm处激发和发射时通过人类皮肤的IRDC3染料进行成像。
由于以下原因中的一个或多个原因，未选择激发和/或发射波长在UV范围内的染料进行进一步研究：在黑光下可见、具有高背景噪声并且激发光和发射光被黑色素和组织吸收。
较低波长的信噪比从50-150降低到＜1.25。黑色素使组织自发荧光降低约20倍。
用于成像的紧凑型荧光灯(CFL)灯泡：
在溶液(1mM)或悬浮液(1mg/mL)中制备染料，并将其暴露于紧凑型荧光灯(CFL)灯泡的光下(图9A)。测试了55个荧光团，包含有机、封装的有机、无机、无机纳米颗粒、纹身和半导电聚合物点。
通过将染料浸没在3mM或3微摩尔过氧化氢中米测试染料承受氧化应激的共它评估，并比较在此类处理之前与之后的信号(图9B)。测试了23个荧光团。
通过浸没在范围为1到13的不同pH中来评估染料的pH稳定性(图9C)。测试了17个荧光团。
所测试的染料属于不同类别并且概述在表5中。
表5.用于包含在微针中的不同类型的染料。
Figure BDA0002410709000000221
UV染料的实例是不可见的黄色(INVISIBLE YELLOW)，其在365nm处激发并且在549nm处发射。当在室内环境光下成像时，当微针中具有高染料染料负载时，染料通过相机和肉眼可见。
加速的光漂白设置：
通过模仿太阳的光谱的SOLAR LIGHT 16S-300-006，实现了加速的光漂白。这个基于氙气灯的单元模拟了海平面上的太阳辐照度，高达7个太阳当量，从而允许快速模拟长期降解。该单元将会适用于可靠地测试相当于五年或更长时间的光漂白。在使用SOLAR LIGHT时，冷却台将样品保持在37℃，并且被动式流量管抵消了蒸发。该单元还遵守国际测试材料协会美国分会(ASTM)、欧洲化妆品和香水协会(COLIPA)、国际标准化组织(ISO)和美国食品药品管理局(FDA)在光降解测试实验室标准方面的规定。
图8A、8B和8C示出了，信号在早期有损失，这是由于SNC中有大量缺陷的部分容易漂白而导致的问题。
这强调了少量缺陷的重要性。图8B示出了，含无机重金属的染料IRDC2因为其非常稳定而因此在较长时间点超过一些量子点。图8C示出了，选择最佳的封装方法具有重要性，因为无机染料无法与固体/油/水乳液高效地封装。
实例5：微针中粒径和位置的影响
先前的研究已经将SNC分布在针中，从而导致在针溶解并释放到皮肤中的尖端处有很少微粒。
这使用两步法增加微粒尖端中的显像剂颗粒来改变。
较大的微粒被吞噬的可能性较小，较大的微粒即大于14微米、高达30微米、最优选地约20到25微米。
在新方法中，将微粒悬浮于水中、进行干燥、然后回填于微针溶液中，从而导致所有微粒都在可递送的微针尖端中。
实例6：毒性测试
对颗粒进行测试以确保没有毒性。
将约1000倍的微针递送剂量皮下注射到小鼠中。
颗粒保留在注射部位。在两个月的时间内未观察到发病的临床迹象。

Claims (20)

1.一种微针阵列结构，其包括
柔性基底元件以及
多个可生物降解的微针，每个可生物降解的所述微针具有第一端和用于穿透皮肤的第二尖锐端，
在所述微针的所述第一端，所述微针从所述基底元件向外延伸，
所述微针包括治疗剂、预防剂和/或诊断剂和/或染料，
其中所述微针在施用于所述皮肤中15分钟内从所述基底元件中释放出来。
2.根据权利要求1所述的微针阵列结构，其中在掺入所述微针之前，将所述治疗剂、预防剂或诊断剂和/或染料微囊化。
3.根据权利要求1到2中任一项所述的微针阵列结构，其中所述微针由可生物降解聚合物或糖组合物形成。
4.根据权利要求1到3中任一项所述的微针阵列结构，其中所述染料选自由无机纳米晶体、基于镧系元素的染料、其它荧光团和非荧光显像剂组成的组。
5.根据权利要求1到3中任一项所述的微针阵列结构，其中所述染料是碳或纹身油墨或化妆品油墨。
6.根据权利要求1到4中任一项所述的微针阵列结构，其中所述染料是激发波长和发射波长在近红外范围内的近红外显像剂。
7.根据权利要求6所述的微针阵列结构，其中所述染料选自由选自基于铜的量子点或基于银的量子点的无机纳米晶体组成的组。
8.根据权利要求1到7中任一项所述的微针阵列结构，其中所述微针含有染料并且形成用于识别个体、医学治疗、日期、位置或其组合的图案。
9.根据权利要求1到8中任一项所述的微针阵列结构，其中所述微针含有治疗剂、预防剂或诊断剂。
10.根据权利要求9所述的微针阵列结构，其中所述药剂是疫苗。
11.根据权利要求1到10中任一项所述的微针阵列结构，其包括在可见光下不可见但在红外光、紫外光下或通过荧光透视可见的染料。
12.根据权利要求1到11中任一项所述的微针阵列结构，其中所述阵列按顺序编号。
13.根据权利要求1到11中任一项所述的微针阵列结构，其在试剂盒中，所述试剂盒包括成像装置，所述成像装置包括用于发射波长的源和任选地用于检测的滤光器。
14.根据权利要求1到13中任一项所述的微针阵列结构，其中要递送的所述药剂优先地位于所述微针的所述尖端中，所述微针的所述尖端在所述针充分溶解以使所述柔性基底脱落后仍留在体内。
15.根据权利要求1到14中任一项所述的微针阵列结构，其中所述微针包括圆锥结构，优选地是圆锥结构和圆柱结构的组合。
16.一种提供对治疗剂、预防剂或诊断剂进行识别和/或纹身和/或递送的方法，其包括将根据权利要求1到15中任一项所述的微针阵列结构施加于个体的皮肤。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述个体是动物。
18.根据权利要求16所述的方法，其中所述微针阵列结构施用疫苗并且识别所述疫苗以及疫苗接种的日期和/或地理位置。
19.根据权利要求16所述的方法，其中所述个体需要化妆纹身。
20.根据权利要求16所述的方法，其中所述个体是军人。
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