多孔微針（PMNs）具有獨特的孔隙結構，可通過自發吸收（SI）促進藥物和生物體液的分布。其在藥物遞送和皮膚間質液提取方面的多功能性已得到充分驗證。然而，不受控的毛細管力會導致藥物負載能力不穩定，從根本上影響PMNs制造過程中的精確劑量控制。本研究采用有限元模型與實驗方法相結合的綜合策略，探究藥物負載過程中的自發吸收機制，旨在闡明孔隙特性、藥物溶液流體動力學與負載效率及污染風險之間的關系。這一機制性認識有助于輕松制備具有精確可調且高藥物負載能力的PMNs。應用該策略，我們開發出載有雙氯芬酸鈉的PMNs，可通過SI實現局部鎮痛作用，藥物負載可在10秒內完成（每針最高負載量達3 μ）。本研究為揭示藥物負載過程的調控機制及優化策略提供了寶貴見解，這些策略有望促進多孔微針的工業化開發與市場應用。

微針（MN）通過使活性藥物成分能夠繞過角質層屏障并抵達真皮層，為透皮給藥提供了一種有效策略。其微創特性與高效的藥物遞送能力使其在透皮應用與診斷領域備受關注。常用的微針藥物遞送類型包括實心型、中空型、可溶型、包衣型及多孔型微針等。以根據公司的具體情況進行調整和增刪。

為克服包被微針（MN）固有的載藥能力限制，多孔微針（PMN）憑借其豐富的孔隙網絡結構，在相同微針體積下展現出顯著提升的載藥潛力。具體而言，這種獨特結構能夠實現毛細管驅動的液體藥物吸收，并在皮膚滲透后實現藥物釋放。與固體、涂層、中空及可溶解微針等其他類型相比，PMNs在藥物遞送和組織液提取方面展現出更優異的多功能性。關鍵在于，通過真空冷凍干燥法制備的PMNs規避了傳統制備工藝相關的藥物降解風險，因其載藥機制無需經歷嚴苛的加工條件（如高溫），從而保持了藥物穩定性。

在本研究中，我們開發了一種用于實現可控藥物負載的微針平臺，并采用結合有限元分析（FEA）的綜合方法來探究藥物如何被中性粒細胞（PMNs）吸收。我們建立了兩個FEA模型，用以預測 PMN 孔隙結構特征和溶液性質對藥物吸收的影響。這些模型有助于解決PMNs在藥物負載過程中可能存在的不可控問題，并闡明吸收時間與藥物負載量之間的關聯。此外，我們還展示了PMNs在福爾馬林誘導的大鼠疼痛模型中遞送雙氯芬酸鈉（DS）的應用效果。本研究不僅提供了一種基于微觀尺度的FEA方法來預測PMNs的藥物負載行為，還從實驗與模擬雙重視角闡明了PMNs自發吸收藥物的機制。

本文提出了一種用于描述微針吸收藥物溶液的簡化模型，該模型采用 COMSOL Multiphysics 6.2軟件（Huang 等人，2016）開發。該模型同時考慮了微針多孔介質內的毛細作用力以及微針間距產生的作用力。為簡化計算，采用了二維模型：微針呈梯形結構，底部直徑為10 μm，頂部直徑為320 μm，高度為800 μm；微針之間的區域被視為自由流動區，其底部長度為1390 μm，頂部長度為1080 μm，高度同樣為800 μm；藥物溶液則被建模為寬度3000 μm、高度100 μm的水平區域。該模型由兩個子域構成：多孔介質域（Ω p）和自由流動域（Ω f）。域Ω f與域Ω pare通過界面 Γi =? Ω f ∩ ? Ωp分隔，其中外法向量為n，切向量為t。為清晰起見，自由流動子域中的數值用(f)表示，多孔介質中的數值用(p)表示。該模型的主要目的是預測藥物在PMNs中的浸潤過程，并識別潛在影響因素，從而解決藥物負載不可控的相關問題。

我們的實驗結果與Lucas-Washburn方程的預測一致，表明在 _20 ℃預冷凍溫度下制備的PMNs實現了最高的吸水效率，在短短2秒內即可達到95%以上（圖D）。PMNs的孔隙結構特征及關鍵結構參數（包括孔隙率、比表面積、平均孔徑、平均喉道尺寸和絕對滲透率）已匯總于（圖S1，支持文件）。隨著孔徑減小，單位時間內的吸水高度相應降低：在 _60 ℃下制備的MN2在5秒內即可達到95%以上的吸水高度，而預冷凍溫度為 _100 ℃和 _140 ℃的MN3與MN4則需8秒才能達到相同水平（圖D）。這些結果驗證了孔徑的關鍵作用，且與我們的模擬結果一致（圖C）。通過積分吸水過程對藥物吸收量進行量化，得到了描述藥物吸收量與時間關系的函數（圖A_II）。由于微針的基部直徑大于其尖1端，隨著浸潤高度的增加，藥物負載量也隨之增加。通過自發浸潤實驗裝置（圖E）測定了不同浸潤時間下的藥物含量，實驗結果與模擬數據（圖B）高度吻合。該模型能有效預測并分析多孔介質中的動態毛細上升現象，揭示了微針浸潤時間與藥物負載能力之間的相關性。研究表明，通過時間調控可實現對微針浸潤高度和藥物負載量的精準控制。此外，深入理解微針的浸潤動力學特性有助于優化微針制備工藝，并為未來的實驗設計提供重要參考依據。

本研究提出了一種基于自發浸潤機制的多孔微針新型載藥方式。通過有限元分析建模，我們成功闡明了藥物浸潤行為的內在原理，并確定了關鍵影響因素。此外，該模型能夠準確預測不同浸潤時間下多孔微針的載藥量。本研究的成果有助于確定最佳微針制備條件及浸潤液特性，從而實現精準可控的藥物負載。這一創新方法不僅提升了載藥容量，還簡化了負載流程，可在10秒內完成。通過調節浸潤時間實現的載藥過程可控性，顯著增強了應用靈活性。負載雙氯芬酸鈉的PMNs展現出顯著的鎮痛效果，證明了其在疼痛管理領域的應用潛力?？傮w而言，本研究標志著微針技術領域的重要進展，為大規模生產及廣闊市場應用奠定了基礎。

凍結后，微針在-80℃下儲存1小時，隨后在冷凍干燥機（FTFDS ，Mercury180M，China）中凍干1小時，最終獲得四種具有不同結構特性的PMNs。

本研究中樣品的凍干環節，依托杭州富睿捷FTFDS Mercury 180M原位凍干機完成。該設備的低溫真空控制性能，確保了樣品微觀結構的完整性與干燥效果的一致性，為后續分析測試奠定了堅實基礎。

原位凍干機Mercury180系列，隔板預凍溫度可達-76℃，滿足更多生物樣品需求，控溫精度±1℃。可實現凍干工藝摸索，共晶點測試，獲取凍干曲線，縮短凍干時間的小試，中試型用戶。內置式盤管設計，顯示溫度更精確，捕水能力更佳。自主研發混合制冷技術，溫度更低、更穩定。一體成型冷阱，保證更好的密封性。自研高精度真空傳感器，真空度準確性更高。手機APP精準監控與控制機器狀態，保證樣品安全。我們有專業的凍干實驗室，配備各種專業的設備，可以為您提供免費的試樣服務。同時我們可以提供樣機試用服務，讓您的購置無后顧之憂。

圖片及文字來源于International Journal of Pharmaceutics 688 (2026) 126430

Achieving rapid and precisely controllable drug loading via spontaneous imbibition in porous microneedles: mechanistic and optimization strategies