CN114767618A - 一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列及其制备方法和应用，包括以下步骤：步骤一、将胶体粒子配制成胶体粒子溶液，将胶体粒子溶液注入微针模具，沉积后得到光子晶体微针模板；步骤二、配制水凝胶聚合前体溶液，将水凝胶聚合前体溶液灌注到具有光子晶体微针模板的微针模具内，使其聚合固化，然后将固化的微针从模具上脱落，并去除光子晶体微针模板，即得具有结构色的反蛋白石结构微针阵列。本发明具有可重复利用、成本低廉、操作简易、方便可靠等优点。

Description

一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列及其制备方法和 应用
技术领域
本发明属于生物材料领域，涉及一种微针阵列，尤其涉及一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列及其制备方法和应用。
背景技术
透皮给药是一种药物吸收方法，旨在促进药物通过皮肤吸收进入人体血液循环并达到有效的血液药物浓度。与口服药物输送和皮下注射相比，经皮药物输送在减少注射疼痛、避免首过效应、稳定和可控的血液药物浓度以及患者依从性方面具有优势。近年来，已经开发了各种透皮药物载体以改善药物递送效率。其中，微针阵列是有效的透皮药物载体之一，可以穿透皮肤形成微孔通道，并通过物理方法促进药物的穿透。常见的传递策略主要基于药物和聚合物材料的混合物来获得复合微针。已有实验证明，这些方法可以成功地加载药物并应用于生物医学应用。但是，这种药物掺杂过程通常涉及聚合反应和有机溶剂，它们的存在会影响药物的生理功能。因此，对所载药物的类型存在限制。此外，目前仍然缺乏对治疗剂从微针释放过程的实时监控，这对于评估运输系统的有效性至关重要。因此，仍在寻求对智能药物输送系统的改进和优化。
反蛋白石是具有三维有序多孔结构的材料，可以通过从胶体晶体蛋白石结构模板中进行反向复制来形成。该多孔材料的折射率的周期性变化导致反蛋白石的特征光学性质。例如，可以根据布拉格定律通过各种因素来调整反射峰的波长。因此，可以将其设计为自反馈传感器，以测量特定因素的变化。此外，丰富的纳米孔和复杂的纳米通道，可装载不同的生物材料。由于这些独特的功能，反蛋白石在生物测定，药物递送和环境监测中发现了许多重要的应用。尽管如此，它在经皮给药研究中的潜在价值仍未得到开发。
发明内容
为了解决传统微针药物上载受限、无法监测药物释放过程的缺点，本发明以光子晶体的蛋白石结构为模板，提供了一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列及其制备方法和在制备经皮给药药物中的应用
为实现上述目的，本发明提供一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，具有这样的特征：包括以下步骤：步骤一、将胶体粒子配制成胶体粒子溶液，将胶体粒子溶液注入微针模具，沉积后得到光子晶体微针模板；步骤二、配制水凝胶聚合前体溶液，将水凝胶聚合前体溶液灌注到具有光子晶体微针模板的微针模具内，使其聚合固化，然后将固化的微针从模具上脱落，并去除光子晶体微针模板，即得具有结构色的反蛋白石结构微针阵列。
该具有结构色的反蛋白石结构微针阵列可以通过调节胶体粒子大小改变孔洞大小和反射光波长。
进一步，本发明提供一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，所述胶体粒子为二氧化硅纳米粒子；所述胶体粒子溶液为浓度是3-4w/v％的二氧化硅纳米粒子酒精溶液。
进一步，本发明提供一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，沉积条件为室温静置4个小时。
进一步，本发明提供一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，所述水凝胶聚合前体溶液为水凝胶聚合前体的水溶液；水凝胶聚合前体为聚乙二醇双丙烯酸酯(PEGDA)、乙二醇二甲基丙烯酸酯(EGDMA)、甲基丙烯酸酯明胶(GelMA)、聚乳酸(PLA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚乙烯醇(PVA)中的一种或以上材料；水凝胶聚合前体溶液的浓度为50-100w/v％。
进一步，本发明提供一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，聚合固化的方法为：紫外照射，且在水凝胶聚合前体溶液中混有1v/v％光引发剂。
进一步，本发明提供一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，去除光子晶体微针模板的方法为使用氢氟酸腐蚀。
本发明还提供上述制备方法制得的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列。
本发明还提供上述具有结构色的反蛋白石结构微针阵列在制备经皮给药药物中的应用。
进一步，本发明提供一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的应用，还可以具有这样的特征：应用方法为：配制药物溶液，将具有结构色的反蛋白石结构微针阵列浸泡在药物溶液内，使药物溶液充分渗入具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的反蛋白石孔洞内，即实现药物上载。
进一步，本发明提供一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的应用，还可以具有这样的特征：其中，所述药物溶液的溶剂为5w/v％明胶水溶液。
本发明的有益效果在于：本发明提供一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列，其制备方法基于光子晶体材料，通过沉积法在微针模具内得到光子晶体微针模板的蛋白石正结构，选择高分子水凝胶聚合前体溶液充满模板的空隙，固化后移去模具得到光子晶体水凝胶混合微针阵列，去除光子晶体微针模板后，最终得到反蛋白石结构微针阵列。制得的微针阵列具有大量有序排列的周期性孔洞结构，可以为多种药物的上载提供充足的空间，而且反蛋白石结构的光子禁带特性能够通过载药量的改变而改变其反射光波长，从而实现实时监控药物释放过程，这些特性使本发明具有结构色的反蛋白石结构微针阵列能够克服微针药物输送系统的局限。这种基于光子晶体微针模板的制备方法具有可重复利用、成本低廉、操作简易、方便可靠等优点。本发明具体包括以下优点：
一、本发明利用微针模具，以光子晶体为模板制备微针阵列，方法简单，操作方便，价格低廉，可重复利用，不需要很高的技术要求；
二、本发明提供了一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列，具有大量有序排列的周期性孔洞结构，可以为多种药物的上载提供充足的空间。
三、本发明制备的具有结构色的反蛋白石结构微针可用于经皮给药，能够通过载药量的改变而改变其反射光波长，从而实现实时监控药物释放过程。
附图说明
图1是具有结构色的反蛋白石结构微针阵列制备过程示意图；其中A为胶体粒子溶液注入微针模具；B为胶体粒子沉积形成有序的光子晶体微针模板；C为水凝胶聚合前体溶液灌注，渗透光子晶体微针模板间隙；D为光子晶体微针模板去除后得到的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列；其中1为胶体粒子，2为微针模具，3为水凝胶聚合物前体；
图2是具有结构色的反蛋白石结构微针阵列应用示意图；其中4为药物溶液；
图3是实施例1具有结构色的反蛋白石结构微针截面扫描电镜图；其中a、b、c是局部逐级放大显示；
图4是实施例1(a)和2(b)具有结构色的反蛋白石结构微针阵列实物图；
图5是实施例1具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的应用表征；其中a、b、c分别是喜树碱(CPT)、异硫氰酸荧光素标记葡聚糖(FITC-Dextran)、盐酸阿霉素(DOX)上载后的微针荧光图，d、e是药物缓释量曲线图，f是葡聚糖缓释过程中微针光谱变化图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对上述方案做进一步说明。应理解，这些实施例是用于说明本发明而不限于限制本发明的范围。凡根据本发明精神实质所做的等效变换或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。实施例中未注明的实施条件通常为常规实验中的条件。
实施例1
本实施例提供一种以粒径为150nm的二氧化硅纳米粒子为模板的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列。其制备方法包括以下步骤：
步骤一、将粒径为150nm的二氧化硅纳米粒子配制成浓度为3w/v％的二氧化硅纳米粒子酒精溶液，并将其超声混匀1h。PDMS微针模板使用等离子清洗仪亲水处理5min。将混匀的二氧化硅纳米粒子酒精溶液注入PDMS微针模板，抽真空5min，排空空气。之后利用沉积法，25℃，静置4h，待溶剂蒸发后，轻缓移动，此时在PDMS微针模板中获得自组装的二氧化硅胶体晶体，即光子晶体微针模板。
步骤二、使用80w/v％PEGDA与1v/v％HMPP(光引发剂)混合配制水凝胶聚合前体溶液作为反蛋白石结构骨架材料，将水凝胶聚合前体溶液灌注到具有光子晶体微针模板的微针模具内，水凝胶聚合前体溶液填充二氧化硅胶体晶体孔隙，静置24h至微针内无明显气泡后，紫外光固化水凝胶，然后将固化的微针从模具上脱落，再将其浸泡至6wt％HF溶液中腐蚀二氧化硅纳米粒子，充分洗涤后获得具有结构色的反蛋白石结构微针阵列，如图4中a所示，反射光波长为540nm，截面扫描电子显微镜图如图3所示。
该具有结构色的反蛋白石结构微针阵列可用于经皮给药，具体应用方法为：
分别配制浓度为1mg/mL的含5w/v％明胶的盐酸阿霉素和喜树碱溶液，以及浓度为0.5mg/mL的含5w/v％明胶的异硫氰酸荧光素标记葡聚糖溶液，将具有结构色的反蛋白石结构微针阵列浸泡在三种药物溶液内，使药物溶液充分渗入具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的反蛋白石孔洞内，5w/v％明胶能够在室温环境下凝固，体温条件下融化，以实现药物的上载与缓释。
确保药物充分上载后，在激光共聚焦荧光显微镜下观察药物的上载情况，结果如图5中a、b、c所示。将多余药物溶液吸出定容，各取100μL至96孔板。使用多功能酶标仪检测，计算剩余药物含量，与初始含量做差得到微针的载药量。取1mL磷酸盐缓冲液加入载药微针的孔板内，分别于第0.5，1，1.5，2，3，4，5，6，7，8，9，10，11，12，13，24，25，26，29，30，31，32，34，35，48，49，50，53，54，55，56，58，73，77，80，83，97，101，104，107，121，127，151，199，248，295，343小时取100μL释放液，再加入100μL新鲜的磷酸盐缓冲液，用多功能酶标仪测定对应吸光度和荧光强度，根据盐酸阿霉素、喜树碱和异硫氰酸荧光素标记葡聚糖三种药物的标准曲线来计算药物累积释放率，依此计算药物释放的百分比，考察载药微针药物体外释放状况，结果如图5中d、e所示。在缓释过程中，检测到具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的反射光随着药物的释放出现蓝移现象，如图5中f，说明具有结构色的反蛋白石结构微针阵列可以用于经皮传感给药。
实施例2
本实施例提供一种以粒径为200nm的二氧化硅纳米粒子为模板的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列。其制备方法包括以下步骤：
步骤一、将粒径为200nm的二氧化硅纳米粒子配制成浓度为3w/v％的二氧化硅纳米粒子酒精溶液，并将其超声混匀1h。PDMS微针模板使用等离子清洗仪亲水处理5min。将混匀的二氧化硅纳米粒子酒精溶液注入PDMS微针模板，抽真空5min，排空空气。之后利用沉积法，25℃，静置4h，待溶剂蒸发后，轻缓移动，此时在PDMS微针模板中获得自组装的二氧化硅胶体晶体，即光子晶体微针模板。
步骤二、使用80w/v％PEGDA与1v/v％HMPP(光引发剂)混合配制水凝胶聚合前体溶液作为反蛋白石结构骨架材料，将水凝胶聚合前体溶液灌注到具有光子晶体微针模板的微针模具内，水凝胶聚合前体溶液填充二氧化硅胶体晶体孔隙，静置24h至微针内无明显气泡后，紫外光固化水凝胶，然后将固化的微针从模具上脱落，再将其浸泡至6wt％HF溶液中腐蚀二氧化硅纳米粒子，充分洗涤后获得具有结构色的反蛋白石结构微针阵列，如图4中b所示，反射光波长为590nm。
其中，本实施例中，PEGDA还可以为其他水凝胶聚合前体，水凝胶聚合前体为PEGDA、EGDMA、GelMA、PLA、PVP、PVA中的一种或以上材料。

Claims (10)

1.一种具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，其特征在于：
包括以下步骤：
步骤一、将胶体粒子配制成胶体粒子溶液，将胶体粒子溶液注入微针模具，沉积后得到光子晶体微针模板；
步骤二、配制水凝胶聚合前体溶液，将水凝胶聚合前体溶液灌注到具有光子晶体微针模板的微针模具内，使其聚合固化，然后将固化的微针从模具上脱落，并去除光子晶体微针模板，即得具有结构色的反蛋白石结构微针阵列。
2.根据权利要求1所述的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，其特征在于：
其中，所述胶体粒子为二氧化硅纳米粒子；
所述胶体粒子溶液为浓度是3-4w/v％的二氧化硅纳米粒子酒精溶液。
3.根据权利要求1所述的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，其特征在于：
其中，步骤一中，沉积条件为室温静置4个小时。
4.根据权利要求1所述的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，其特征在于：
其中，所述水凝胶聚合前体溶液为水凝胶聚合前体的水溶液；
水凝胶聚合前体为聚乙二醇双丙烯酸酯、乙二醇二甲基丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯明胶、聚乳酸、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇中的一种或以上材料；
水凝胶聚合前体溶液的浓度为50-100w/v％。
5.根据权利要求4所述的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，其特征在于：
其中，步骤二中，聚合固化的方法为：紫外照射，且在水凝胶聚合前体溶液中混有1v/v％光引发剂。
6.根据权利要求1所述的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的制备方法，其特征在于：
其中，步骤二中，去除光子晶体微针模板的方法为使用氢氟酸腐蚀。
7.如权利要求1-6任意一项所述的制备方法制得的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列。
8.如权利要求7所述的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列在制备经皮给药药物中的应用。
9.根据权利要求8所述的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的应用，其特征在于：
应用方法为：配制药物溶液，将具有结构色的反蛋白石结构微针阵列浸泡在药物溶液内，使药物溶液充分渗入具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的反蛋白石孔洞内，即实现药物上载。
10.根据权利要求8所述的具有结构色的反蛋白石结构微针阵列的应用，其特征在于：
其中，所述药物溶液的溶剂为5w/v％明胶水溶液。
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