毎年1,200万人以上の人々が慢性創傷感染症による痛みに苦しんでいます。慢性創傷感染症は、かさぶたや肉芽で覆われて感染を隠してしまうことが多いため、正確な診断や治療ができず、デブリードマン（創傷清拭）、縫合、消毒、抗生物質の使用など、様々な治療が行われているにもかかわらず、治療が不十分であったり、治療が遅れたりすることで、感染が慢性化する可能性があります。この慢性創傷感染に対する正確な診断と治療の難しさに対処するために、Yanhua Liuチームは、BMFの 精密3DプリンターmicroArch® S130を用いて、サンゴからヒントを得た生体模倣マイクロニードルパッチ（HepMi-PCL）を開発しました。 ジメチルアミノテトラサイクリンとヘパリンの二重療法を調節することにより、創傷の細菌感染を適時に制御し、炎症性損傷を軽減することができます。 また、オンデマンドで自律的に薬を投与されるHepMi-PCLマイクロニードルパッチは、より安全で効果的に感染創傷を治療することができ、ラットの慢性感染創モデルで優れた治癒効果と感染制御能力を実証し、臨床応用の可能性が高いことが示されています。
この研究は「Coral-Inspired Hollow Microneedle Patch with Smart Sensor Therapy for Wound Infection」というタイトルで、権威ある学術誌Advanced Functional Materialsに掲載されました。
具体的な研究内容はぜひ以下の文章でご覧ください。
研究チームは、サンゴの硬い外殻と柔らかい内部構造に着目し、BMFの超高精度3DプリンターmicroArch® S130を利用して、中空で多孔性のマイクロニードル構造を設計・作製しました。マイクロニードル構造は高さ1,000 µm、底部の直径400 µm、壁の厚さ75 µmで、各マイクロニードルの表面には、100 µm×100 µmが2つ、100 µm×300 µmが2つの開口、深さ20 µmの溝を4本設計しました。この3Dプリント技術に使用された材料は、研究チームの独自のポリカプロラクトンメタクリレート（PCLMA）です。
PCLMA マイクロニードル アレイは中空の多孔質構造であり、これにヘパリンベースの機能性ハイドロゲル (HepMi) が充填および固化されて、HepMi-PCL マイクロニードル パッチが得られます。このHepMi-PCLマイクロニードルパッチは、マイクロニードルの表面にある導槽と孔構造を通して創傷滲出液を吸収し、抗感染治療が必要かどうかを指示します。酸性の滲出液が検出された場合（感染の初期段階を示す）、マイクロニードルパッチは迅速に抗菌薬を放出し、感染の悪化を防ぎます。一方、アルカリ性の滲出液が検出された場合（慢性感染を示す）、細菌を除去するために薬物を持続的に放出します。感染が効果的に制御され、滲出液が徐々に減少すると、薬物の投与は次第に減少し、最終的には完全に停止します。
まず、PCLにメタクリル酸化改質を施し、波長405 nmの青色光を照射することで架橋し、一定の強度を持つマイクロニードルを形成します。図2では、HepMi-PCLマイクロニードルパッチの製作プロセスを示しており、1H NMRおよび光硬化テストによってPCLMAとHepMiの合成が成功したことを確認しました。さらに、FTIRを用いて抗生物質MiがHepMiハイドロゲルにうまく組み込まれたことを証明しました。走査型電子顕微鏡（SEM）では、マイクロニードルの表面にある溝、側孔、および内部の中空構造が明瞭に観察されます。
HepMi-PCLマイクロニードルパッチは、一定の機械的強度に加え、表面の孔構造と内部ハイドロゲルの浸透仕組みにより、創傷からの滲出液を吸収し、液体中のイオンやタンパク質を取り込み、PH表示判定を行うことができます。図3（h）は、感染の異なる段階における薬物放出能力をシミュレートしたものです。初期感染の傷口では、HepMi-PCLは酸性液体（pH 5.5）を吸収後、抗菌薬を迅速に放出し、感染のさらなる進行を防ぎます。一方、アルカリ性の組織液（pH 8.3）を吸収した場合、薬物の放出は比較的遅くなり、感染を除去する時間を効果的に延ばすことで、スマートな薬物投与治療を実現します。
さらに、細胞共培養実験では、異なるマイクロニードルパッチが細胞の増殖活性や細胞の付着および粘着に対して顕著な影響を与えないことが示され、線維芽細胞のアポトーシス率も明確に上昇していないことが確認されました。これにより、このマイクロニードルパッチが非常に高い生体適合性を持つことが明らかになりました。また、in vitro抗炎症実験では、HepMi-PCLおよびHep-PCLマイクロニードルのいずれも、優れた抗炎症能力を示しました。
その後、in vitro抗菌実験により、生理食塩水と異なるPor-PCL、Hep-PCLおよびHepMi-PCLマイクロニードルパッチが黄色ブドウ球菌（S. aureus）および大腸菌（E. coli）に対する抗菌効果を比較しました。その結果、ジメチルアミノテトラサイクリン（Mi）がHepMi-PCLマイクロニードルパッチの主な抗菌成分であり、マイクロニードルパッチに優れた抗菌効果を与えていることが示唆されました。一方、PCL、ヘパリン、ヒアルロン酸は、黄色ブドウ球菌や大腸菌に対して顕著な抗菌効果を示さないことが確認されました。
また、異なるマイクロニードルパッチをマウスに移植し、30日間にわたり観察しましたが、体重の増加が遅れる現象は見られませんでした。溶血実験の結果、このマイクロニードルパッチは血液中で使用しても安全であることが確認されました。さらに、主要な臓器および血液の生化学的指標について総合的に評価したところ、対照群と比較して、Por-PCL、Hep-PCL、HepMi-PCLマイクロニードルパッチはどの臓器にも顕著な損傷を引き起こさず、血液検査の結果、赤血球、白血球、血小板の数にも大きな変動は見られませんでした。その他の指標にも異常はなく、このマイクロニードルパッチは体内で生体適合性があり、慢性傷の治療に使用できることが示されました。
さらに、ラットの背中の創傷感染に対して、Por-PCL、Hep-PCL、HepMi-PCLのマイクロニードルパッチおよび無処置の方法でそれぞれ治療を行い、0日目、3日目、7日目、14日目の治療経過を観察しました。治療3日後、対照群では治癒面積が10%未満の減少にとどまりましたが、HepMi-PCLマイクロニードルパッチを使用した場合、治癒面積が約30%減少しました。14日間の治療後、HepMi-PCLマイクロニードルパッチで処置されたラットの背部創面の治癒率は90%を超え、他のマイクロニードルの治癒率は60%未満でした。HepMi-PCLマイクロニードルパッチは、慢性創傷感染を効果的に制御し、創傷の治癒を促進することが確認されました。
HepMi-PCLマイクロニードルパッチの自律的な反応と治療能力は、感染の診断と治療を加速させる可能性を示しており、慢性創傷管理に新たな方法を提供する可能性があります。
