CN216603546U - 一种仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片，包括仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机和与所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机连接的载药微针贴片；所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发动机由第一电极层、第一摩擦层、第一垫片、第二垫片、第二摩擦层和第二电极层组成；所述载药微针贴片由依次叠加设置的导电膜、载药贴片和微针阵列组成。本申请提供的自驱动电控载药贴片提高了摩擦纳米发电机将生物机械能转化为电能的转化效率以及传感响应的灵敏度，还使得摩擦纳米发电机具有自清洁功能，且同时提高了药物的递送效率，且电控载药贴片不受载药量限制，拓宽了可使用药物分子量的范围，减小了单纯依靠载药微针阵列贴片时制备条件的限制。

Description

一种仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片

技术领域

本实用新型涉及高分子生物医用材料技术领域，尤其涉及一种仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片。

背景技术

近年来，用于药物输运的经皮治疗皮肤贴片受到了越来越多的关注。与口服给药和皮下注射相比，经皮给药不仅能绕过肝脏首过效应，避免药物在胃肠道被破坏，还具有毒副作用小、用药方便、患者依从性好等优点。

为了提高透皮药物的递送效率，人们探索了多种方法来增强皮肤渗透性。离子电渗被证明是一种能够加快经皮渗透的物理增强方法，其通过向载药贴片施加连续的低电流来加速药物向皮肤的渗透。尽管离子电渗系统已被用于经皮麻醉、术后镇痛、抗偏头痛药物的递送，但是由于皮肤角质层的物理屏障作用，经皮给药应用范围仍局限于小分子量(<500Da)的物质。而微针阵列(MNs)作为一种突破皮肤屏障的微创给药方法，将是一种非常具有吸引力的选择。因此，将离子电渗与微针技术结合进行药物的高效递送具有潜在的应用前景。另外，可穿戴生物传感器的发展，使得对人类活动和生物标志物持续、无创、无刺激、实时的监测成为了可能。因此，具有反馈控制功能的可穿戴电控贴片经皮给药系统因能够实现按需给药，增强治疗效率等优点也引起了广泛的研究和临床兴趣。

然而，由于电控贴片需要体积庞大、成本高昂的储能电源以及复杂电子元器件才能实现反馈控制，使得它的应用仍面临着很多的挑战。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题在于提供一种仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片，其提高了药物的递送效率，且不受载药量限制，拓宽了可使用药物分子量的范围，减小了单纯依靠载药微针阵列贴片时制备条件的限制。

本申请提供了一种仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片，其包括仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机和与其连接的载药微针贴片；

有鉴于此，本申请提供了一种仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片，包括仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机和与所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机连接的载药微针贴片；

所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发动机由第一电极层、第一摩擦层、第一垫片、第二垫片、第二摩擦层和第二电极层组成；所述第一电极层、所述第一垫片、所述第二电极层和所述第二垫片组成空腔体，所述第一摩擦层和第二摩擦层设置于空腔体内，分别与第一电极层、第二电极层接触，且所述第一电极层与所述第二电极层不接触；所述第一摩擦；

所述载药微针贴片由依次叠加设置的导电膜、载药贴片和微针阵列组成。

优选的，所述绝缘材料层的材料选自全氟乙烯丙烯共聚物、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯缩丁醛、氯丁橡胶、腈氯纶、天然橡胶和聚碳酸双酚中的一种或多种。

优选的，所述第一电极层和所述第二电极层的材料独立的选自金、银、钛、钨、铬、ITO、铜和铝中的一种或多种。

优选的，所述导电膜选自聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐膜、碳布电极、铝膜、铜膜和ITO薄膜中的一种或多种。

优选的，所述仿生丝素蛋白层具有荷叶微观结构。

优选的，所述第一电极层的厚度为20～500nm，所述第二电极层的厚度为20～500nm。

优选的，所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机还与非载药微针贴片连接，所述非载药微针贴片由依次叠加设置的导电膜和微针阵列组成。

本申请提供的仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机具有高输出、高机械性和自清洁功能，其可以将生物机械能高效转化为电能，实现药物递送的电能供给，同时将其与载药微针贴片技术结合，提高大分子量药物经皮给药递送效率，且电控载药贴片不受载药量限制，也拓宽了可使用药物分子量的选择范围，减小了单纯依靠载药微针阵列贴片时制备条件的限制；此外，仿生结构的摩擦电纳米发电机提高了其自驱动传感特性的响应灵敏性，其可以更好的依靠生物力学运动刺激响应对药物释放进行反馈控制，形成闭环传感，解决需要复杂电子元器件才能实现反馈控制的问题，实现按需给药，为智慧医疗提供新的研究思路。

附图说明

图1为本实用新型提供的仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2为本实用新型提供的载药微针贴片的结构示意图；

图3为本实用新型提供的载药微针贴片的微针阵列的结构示意图；

图4为本实用新型提供的仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片；

图5为本实用新型提供的仿生丝素蛋白层及其扫描电镜照片；

图6为本实用新型提供的仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片药物释放的荧光照片；

图7为本实用新型提供的仿生丝素蛋白层的疏水角度照片。

具体实施方式

为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型权利要求的限制。

鉴于现有技术中可穿戴电控贴片的应用发展，本申请提供了一种仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片，其以仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机为基础，并结合载药微针贴片，提高了摩擦纳米发电机将生物机械能转化为电能的转化效率以及传感响应的灵敏度、还使得摩擦纳米发电机具有了自清洁功能，且对环境友好，同时提高了药物的递送效率，且电控载药贴片不受载药量限制、拓宽了可使用药物分子量的范围，减小了单纯依靠载药微针阵列贴片时制备条件的限制。另外，基于摩擦纳米发电机的自驱动传感特性还可以对药物释放进行反馈控制，形成闭环传感，解决需要复杂电子元器件才能实现反馈控制的问题，实现按需给药，提高疗效。具体的，本实用新型实施例公开了一种仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片，如图3所示，其包括仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机和与其相连的载药微针贴片，分别如图1和图2、3所示；更具体地，所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发动机由依次叠加设置的电极层1、摩擦层1、垫片、摩擦层2和电极层2组成；摩擦层1为仿生丝素蛋白层，摩擦层2为绝缘材料层；

所述载药微针贴片由依次叠加设置的导电膜、载药贴片和微针阵列组成。

在本申请中，所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发动机中的第一摩擦层为仿生丝素蛋白层，其具有荷叶微观结构。所述第二摩擦层具体为绝缘材料层，更具体地，所述第二摩擦层选自全氟乙烯丙烯共聚物、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯缩丁醛、氯丁橡胶、腈氯纶、天然橡胶和聚碳酸双酚中的一种或多种。所述第一电极层和所述第二电极层的材料独立的选自金、银、钛、钨、铬、ITO、铜和铝中的一种或多种；所述第一电极层和所述第二电极层的厚度为20nm～500nm。所述第二摩擦层与所述第一摩擦层相对设置，其通过垫片的弹性可接触，可摩擦，与第一摩擦层的摩擦电极序不同，存在差异，在接触、分离的过程中，产生静电，通过分别在第一电极层和第二电极层外接电路进行电压输出。在本申请中，所述第一电极层、所述第一垫片、所述第二电极层和所述第二垫片组成空腔体，所述空腔体可以为封闭的空腔体，即第一电极层、第一垫片、第二电极层和第二垫片形成首尾相连的结构方式，所述空腔体也可以为非封闭的空腔体。所述垫片具体可选自海绵或其它具有弹性的物体，使得上述第一摩擦层和第二摩擦层摩擦之后可以自行弹回。在本申请中，设置的两个垫片优选对称设置。

所述载药微针贴片中，所述导电膜具体选自聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT/PSS)膜、碳布电极、铝膜、铜膜和ITO薄膜中的一种或多种，其通过与所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发动机连接，实现电流的传导。所述微针阵列实际上是包括平台结构的基板与从该平台结构向外突出的多个微针。储存在载药贴片的药物在摩擦纳米发动机产生的电场作用下通过上述微针阵列进入人体皮肤内。

在本申请提供的自驱动电控载药贴片中，为了加快药物的递送，所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机还与非载药微针贴片连接，所述非载药微针贴片与上述载药微针贴片的区别仅在于没有载药贴片。

本申请提供的自驱动电控载药贴片的工作原理具体为：利用外力拍打或者挤压该集成微针贴片中的摩擦纳米发电机结构，具有摩擦电极序差异的绝缘高分子摩擦层和仿生丝素蛋白层弹性接触、摩擦，在接触过程中由于摩擦电势序列的差异，在绝缘高分子摩擦层与仿生丝素蛋白层相接触的表面会带上符号相反的静电荷，当两个接触表面在垫片作用下发生分离时，由于静电荷分离产生的电势差会驱动电子在第一电极层与附着于绝缘高分子摩擦层外侧的第二电极层之间流动，产生交流电压输出，通过整流电路可以将交流脉冲电压转换为直流脉冲电压，在微针阵列贴片中的微针刺入皮肤特定部位的同时会在微针和皮肤之间形成直流脉冲电场，载药贴片上带有电荷的药物在电场作用下通过微针进入皮肤特定部位，进而被血管和淋巴腺吸收，进入循环系统，实现药物的可控释放。进一步的，通过控制拍打或者挤压的频率、力度以及周期便可以实现对摩擦纳米发电机发电量的控制，进而控制微针和皮肤之间的电场大小，从而实现对药物的可控释放。

本申请还公开了仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片的制备方法，包括以下步骤：

将第一电极层、第一摩擦层、第一垫片、第二垫片、第二摩擦层和第二电极层组合，得到仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机，所述第一摩擦层为仿生丝素蛋白层，所述第二摩擦层为绝缘材料层；

将导电膜、载药贴片和微针阵列依次放置后压制，得到载药微针贴片；

将所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机与所述载药微针贴片通过导线连接。

在本申请中，在制备仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片的过程中，所述仿生丝素蛋白层的制备方法具体为：

将聚二甲基硅氧烷与交联剂混合后进行荷叶结构的拓印，得到反模模具；

将丝素蛋白与溶剂混合后加入所述反模模具混合，成膜，得到仿生丝素蛋白层。

在上述过程中，所述聚二甲基硅氧烷与所述交联剂的质量比为(8～12)：1，所述交联的温度为50～100℃，时间为1～5h。在本申请中，首先制备了反模模具以便制备荷叶结构的仿生丝素蛋白层，以利于形成荷叶效应的表面微结构，最终有利于仿生丝素蛋白膜的高输出。聚二甲基硅氧烷可以与交联剂混合后加热固化成型，进而拓印荷叶结构，由于其物化性质稳定且柔性好。

按照上述，则将丝素蛋白与改性聚合物混合后加入反模模具中，成膜，得到仿生丝素蛋白层。在此过程中，所述改性聚合物具体可选自水性聚氨酯、纤维素或壳聚糖，其可以改变丝素蛋白物理化学性质，使其机械强度增加。所述丝素蛋白和所述改性聚合物得到的混合溶液中丝素蛋白的含量为0.5～5wt％，所述成膜的温度为30～40℃，湿度为40～60％。

丝素蛋白与改性聚合物改性之后使得其机械能提高，自清洁性是因为拓印了荷叶表面结构拥有了荷叶的自清洁特性，且已测量其最大疏水角＞150°(如图7所示)，是因为拓印的荷叶的表面微结构增大了摩擦层的接触面积使其具有高输出性。上述方法制备的仿生丝素蛋白层具有高的机械强度、增加了摩擦纳米发电机的耐用性，提高了其输出以及传感响应的灵敏度，并且具有可降解性对环境友好。

所述载药贴片的制备方法具体为：

将甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物溶解后与三丙二醇甲醚、带有正电荷或负电荷的药物混合，成膜，得到载药贴片。

在上述载药贴片的制备过程中，所述甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物溶解的溶液的浓度为10～15wt％。所述三丙二醇甲醚为所述甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物的5～10wt％；所述甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物提供载药的基底，所述三丙二醇甲醚可以将药物更好的分散均匀。所述带有正电荷或负电荷的药物根据需要选择，所述载药贴片中药物的载药量可以控制在40～60mg·cm^-2。

所述微针阵列的制备方法具体为：

将甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物溶解后与聚乙二醇混合，将得到的混合溶液于微针模具中，80℃反应条件下交联成针，得到微针阵列。

在上述制备过程中，所述甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物溶解的溶液的浓度为10～15wt％。聚乙二醇是交联剂，与甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物溶解后释放出的游离酸根离子发生反应。所述微针模型为本领域技术人员熟知的模型，对此本申请不进行特别的限制。所述成针的过程中同时于3000～4000r/min离心10～20min，温度为50～100℃。

本申请将上述制备的仿生摩擦纳米发电机经整流电路后将交流电信号转化为直流电，经导线分别与载药微针贴片与不载药微针贴片连接，其中载药微针贴片作为工作电极驱动药物的递送，非载药微针贴片作为对电极，使其能够形成回路，加快药物的递送。

本申请提供的仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片具有以下优点：

(1)本实用新型提高了摩擦纳米发电机将生物机械能转化为电能的转化效率以及传感响应的灵敏度、还使得摩擦纳米发电机具有了高机械能、自清洁功能，且对环境友好，解决了药物递送所需体积庞大、成本高昂的储能电源问题；

(2)本实用新型电控载药贴片不受载药量的限制，拓宽了可使用药物的分子量范围，减小了单纯依靠载药微针阵列贴片时制备条件的限制，结合微针阵列贴片克服了高分子量药物经皮渗透性差的缺点，提高了药物递送效率；

(3)本实用新型基于摩擦纳米发电机的自驱动传感特性对药物释放进行反馈控制，解决了需要复杂电子元器件才能实现反馈控制的问题，实现了药物的可控释放；

(4)本实用新型依靠人体机械能转化的电能实现药物的电能供给，实现按需给药，其能源获取方便、制作工艺简单，且易于集成，便于大规模生产，在智慧医疗使用方面具有良好的应用前景。

为了进一步理解本实用新型，下面结合实施例对本实用新型提供的仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片进行详细说明，本实用新型的保护范围不受以下实施例的限制。

实施例1

1)仿生丝蛋白膜的制备：将天然蚕卷置于0.02M Na₂CO₃溶液中煮沸30min，然后用去离子水冲洗去除残留的丝胶和Na₂CO₃，放入烘箱50℃烘干后备用；取脱胶后的蚕卷于9.3M的溴化锂溶液中60℃溶解4h；将冷却后的丝素蛋白溶液倒入透析袋中(8000Da)，常温下去离子水透析72h，每3h换水，然后将溶液离心去除杂质；

使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行荷叶结构的拓印制备反模，将PDMS与交联剂按照10：1的比例混合均匀真空除泡后导入固定好荷叶的亚克力模具中，室温水平放置24h，然后置于80℃鼓风干燥箱2h交联制备反模；

将从天然蚕卷中提取的丝素蛋白与水性聚氨酯按照0.5％、1％、2％、4％的质量比(占丝素蛋白溶液质量比例)混匀后加入反模，真空除气泡后，37℃，55％湿度条件下成膜，制备出具有表面微结构的仿生丝素蛋白膜，如图5所示；

2)电控载药贴片：配置10％w/w甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物：称取一定量的甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物置于冷水中，使其充分混合，然后95℃水浴溶解至透明；取配置好的10％w/w甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物加入其质量为5％的三丙二醇甲醚，然后加入带有正电荷或者负电荷的药物，流通空气条件下制备载药贴片，与铜膜结合后制备成电控载药贴片；

微针阵列贴片：15％w/w甲基乙烯基醚-马来酸酐共聚物制备方法同电控载药贴片)，冷却过程中加入7.5％w/w聚乙二醇10000。取一定量的混合溶液于微针模具内，3500r/min离心10min，80℃成针；

上述电控载药贴片与微针阵列贴片结合，得到载药微针贴片；

3)将第一仿生丝素蛋白摩擦层、第一铜电极层、垫片、第二全氟乙烯丙烯共聚物摩擦层和第二铜电极层依次组合，得到仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机；

将仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机经导线与载药微针贴片、非载药微针贴片(载药微针贴片的基础上去除载药贴片)连接，其中，载药微针贴片作为工作电极驱动药物的递送，非载药微针贴片作为对电极，使整个系统形成回路，加快药物的递送。

利用本实施例制备的仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片实现药物释放的照片具体如图6所示。

以上实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (4)

1.一种仿生丝素蛋白基的自驱动电控载药贴片，其特征在于，包括仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机和与所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机连接的载药微针贴片；

所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机由第一电极层、第一摩擦层、第一垫片、第二垫片、第二摩擦层和第二电极层组成；所述第一电极层、所述第一垫片、所述第二电极层和所述第二垫片组成空腔体，所述第一摩擦层和第二摩擦层设置于空腔体内，分别与第一电极层、第二电极层接触，且所述第一电极层与所述第二电极层不接触；所述第一摩擦层为仿生丝素蛋白层，所述第二摩擦层为绝缘材料层；

所述载药微针贴片由依次叠加设置的导电膜、载药贴片和微针阵列组成。

2.根据权利要求1所述的自驱动电控载药贴片，其特征在于，所述仿生丝素蛋白层具有荷叶微观结构。

3.根据权利要求1所述的自驱动电控载药贴片，其特征在于，所述第一电极层的厚度为20～500nm，所述第二电极层的厚度为20～500nm。

4.根据权利要求1～3任一项所述的自驱动电控载药贴片，其特征在于，所述仿生丝素蛋白基摩擦纳米发电机还与非载药微针贴片连接，所述非载药微针贴片由依次叠加设置的导电膜和微针阵列组成。

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