2023年8月7日，基础医学院陈伟教授团队在材料学权威期刊《ACS Nano》（IF=17.1）在线发表了题为“受小肠绒毛启发的数学工程化底纹贴片用于各类粘膜高效生物标志物富集与药物快速沉积”（Intestinal Villi-Inspired Mathematically Base-Layer Engineered Microneedles (IMBEMs) for Effective Molecular Exchange during Biomarker Enrichment and Drug Deposition in Diversified Mucosa）的研究文章。基于仿生的原理，这项工作为仿生器件与粘膜的深度互作提供了全新的思路，使不依赖材料或化学特性，通过特定的仿生结构加强界面之间的相互作用，使该工作的相关理念后续有望快速应用于临床实践。
粘膜又被称为身体的“内皮肤”，广泛分布于各类器官与组织表面，表面粘液与组织液中含有各种生理/病理相关的生物标志物，粘膜下也有丰富的血管与淋巴管，是器件-组织互作的潜在位点。作为人体内部的屏障，粘膜本身容易受各类外来刺激而产生损伤，例如机械摩擦所致红肿（物理因素损伤）、胃酸或某些酸/碱药物所致溃疡（化学因素损伤）等。而更为重要的则是生物因素损伤，病原微生物对粘膜系统的感染可能对机体产生严重的危害，例如新冠肺炎（由新冠病毒感染所致）、非典型性肺炎（由非典病毒感染所致）、流感（由流感病毒感染所致）、宫颈癌（和人乳头瘤病毒感染强相关）和胃癌（与幽门螺杆菌感染强相关）等等。因此，开发一种准确高效有前景的粘膜采样/递送策略，不仅能提高当前临床疾病诊断治疗的效率，也能更好的保护大众的生命健康。
尽管已经有许多粘膜相关的检测拭子（例如口腔拭子，咽拭子以及鼻拭子），它们在实际临床应用中仍面临许多问题，例如浅表取样、难以脱附带来的灵敏度问题，或是因为取样过程中带来的不适而产生的患者依从性问题，又或是面对不同粘膜环境的普适性受限，这些问题降低了实际临床诊断与治疗过程中医生判断的准确度，给患者的诊疗带来较大的风险。
为了解决上述问题，已有许多先行研究者提出了自己的解决方案，例如使用电纺纳米级纤维拭子或者在取样器上做化学修饰提升灵敏度，但这些方案也或多或少有着材料和功能上的限制，难以快速走向临床转化。华中科技大学基础医学院陈伟教授团队在过去几年对生物仿生器件与粘膜互作方面做过许多研究，报道过如降低假阴性的新冠检测拭子（Matter, DOI: 10.1016/j.matt.2020.09.021）及动态全向粘膜粘附药片系统（ScienceAdvances，DOI: 10.1126/sciadv.abk1792）。基于前期的积累，并启发于小肠在物质交换过程中的特点（小肠绒毛的周期性结构所带来的物质交换面积极大提高），团队成员将周期性结构修饰在研究较少的微针阵列底部，开发出一款数学工程化底纹贴片（Intestinal villi-inspired Mathematically Base-Layer Engineered Microneedles,IMBEMs）。此器件巧妙地利用生物仿生结构实现了粘膜与贴片的高效深层互作。而通过对贴片材料的设计，使IMBEMs贴片具有了快速溶解释放药物（IMBEMs in deposition mode, IMBEMs-ModeD）和高速溶胀捕获组织液（IMBEMs in enrichment mode,IMBEMs-ModeE）两种模式，能够适用于全身各类粘膜，根据需求进行取样或递药。
IMBEMs贴片的概念示意图
总体而言，本工作受启发于小肠绒毛的周期性特殊结构，并将该结构与微针阵列结合创造出了一种用于各类粘膜高效生物标志物富集与药物快速沉积的受小肠绒毛启发的数学工程化底纹贴片（Intestinal villi-inspired Mathematically Base-Layer Engineered Microneedles, IMBEMs），以增强器件-粘膜相互作用。IMBEMs贴片可以通过对材料的控制实现捕获与递送两种模式，两种模式的IMBEMs贴片都能发挥显常规产品（贴片及拭子等）的效率，其所使用的材料生物相容性好，装载物活性高，受试者依从性大，制作相对便捷，故具有非常高的临床转化潜力；除此以外，由于本身是一种不依赖于材料或化学特性的特殊表面结构所带来的互作增强，这种由小肠绒毛所启发的结构可以应用于多种需要增强交换效率的界面；同时IMBEMs贴片也可以和多种现有医疗器械（例如内窥镜，肠镜，阴道镜等）相结合，可以对难以触及的部位采样/递送，具有广阔的临床应用前景。
相关工作近期发表于材料学权威期刊《ACS Nano》上，华中科技大学基础医学院药理学系博士研究生龚宇晟为本文的第一作者。通讯作者为华中科技大学bat365在线平台官网陈伟教授，新加坡国立大学陈小元教授。此项工作的细菌实验部分由基础医学院生物化学与分子生物学系郭雨松教授团队提供支持。
此项工作受到中央高校基本科研业务费，湖北省自然科学基金，国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）等项目的支持。
原文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.3c02944
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