第五节　经皮给药的物理促透

药物经皮给药贴剂的促透技术除了化学促透以外，还经常运用如离子导入、电穿孔导入、超声导入、电磁导入、光压波导入等所谓物理促透。离子导入在化学药经皮给药中应用较多，由于复方中药的复杂性，很少应用，电磁导入、光压波导入运用也不多见，本书仅从中药经皮给药中常用的电穿孔、微针和超声波促透技术加以展开阐述。

一、电穿孔促透技术

随着生物技术的发展，以多肽、蛋白质、寡核苷酸等大分子为主的生物制剂愈来愈多，在中药复方制剂中，包含多种大分子物，这些大分子物在给药途径中遇到一个普遍性透皮问题：生物制剂口服时很容易在肝脏和胃肠道中降解，降低了生物利用度；注射时又难以保持体内稳定的血药浓度，频繁注射还会给患者造成极大不便和痛苦。因此，经皮给药作为口服、注射之外的另一种给药方式备受关注。经皮给药是将药物贴敷在皮肤外表面，依靠被动扩散或促进扩散使药物通过皮肤进入皮下毛细血管。由于皮肤角质层的屏障作用，大分子的生物制剂难以靠被动扩散进入，仅仅靠化学促透往往达不到预期的目的，这就需要借助物理方法，如离子导入、电穿孔导入、超声导入、电磁导入、光压波导入等，此即所谓物理促透。在经皮给药系统中，物质转运是一个不可逆非平衡态热力学过程，其渗透率与外力场、皮肤特性、物质理化性质等因素有很大关系。在物质通过皮肤角质层转运的生物物理现象研究中，有以下三个方面的成果。

（1）物质经皮转运的热力学分析。将流动扩散池系统看成由扩散池子系统和漏槽子系统组成，分别对两个子系统列出熵平衡方程，两个子系统通过共有部分供应室联系，并且整个流动扩散池系统中物质不灭，从而得到流动扩散池系统的熵平衡方程，确定系统中扩散流及其推动力之间的唯象关系。以胰岛素、FD-4和FD-20为模式物质，指数衰减电脉冲为促进扩散的外力场，通过漏槽实验得到：①唯象系数较小，说明系统中的力和流满足线性唯象关系假设；②唯象系数具有可变性，随不同的模式物质、实验角质层样本和取样时间而改变；③研究脉冲协议、角质层样本特性和模式物质对电场力的单因素影响，脉冲协议（主要能量、电压）影响电场力的大小，角质层样本特性影响电场力的变化趋势，模式物质对电场力的大小和变化趋势都有影响。

（2）脉冲电场物质经皮转运率和皮肤电导的影响。物质经皮转运率可以作为电脉冲促进物质经皮转运作用的评价指标，角质层电导反映出电脉冲作用下皮肤结构的变化状况。以胰岛素和FD-4作为模式物质，分别进行15和12种脉冲协议的促进扩散，结果表明：角质层电导和物质经皮转运率的变化在时间上并非对应，但在数值的大小方面有内在的联系，较小的电导变化伴随同向的较大的经皮转运率变化，并且对同一模式物质，两者的变化斜率之比较为恒定。

（3）物质经皮转运的时变特性。目前检测物质经皮转运率广泛采用求统计平均值的方法，但此法存在很大的均方差，其原因在于忽略了经皮转运的时变性和每个实验个体的差异。我们用胰岛素经皮转运的实验数据和数学模型建立一种描述药物经皮转运的唯象模型，用唯象模型的参数描述药物经皮通透率的时变性和最大转运率。

外加电穿孔脉冲于皮肤上时，可在皮肤角质层中形成亲水性孔道。由于新形成的这些孔道非常小，无法用肉眼观察。此外，形成的孔所占的面积很小（约为0.1％），且当外加电场撤去后大部分孔在极短的时间内关闭。

关于电穿孔促透的机制，不同的膜稍微有些差别。归结起来有两种模型，一种模型认为角质细胞无渗透性，电穿孔仅在角质细胞间的脂质中形成，药物经此途径转运。另一种模型认为角质细胞也参与药物转运，角质层的亲水性部（包括角质细胞内液及脂质双分子层间的亲水区域）组成水性贮库，外加脉冲时脂质双分子层膜中形成孔，使这些水性贮库相互连通，药物由此转运通过皮肤。这两种模型都认为在角质层中形成了暂时性的水性孔道。除了形成水性孔外，外加的高压脉冲是否会引起结构变化，这对于揭示电穿孔促透的机制可能也是需要考虑的问题。外加电穿孔脉冲时，除了形成水性孔外，周围的脂质结构也会发生重排。孔的恢复与脂质的运动有关。据此本文选择分子型药物咖啡因（Mw=194.66）为模型，可排除离子型药物在外加电场作用下电迁移的影响，建立电穿孔促渗经时数学模型，由模型束解释电穿孔促透的机制。

1.经皮渗透实验

取人尸体胸部皮肤（厚度约为0.1mm），用pH7.4的磷酸盐缓冲液浸洗1h后夹于双室扩散池中，角质层面向供应室，真皮层面向接受室。扩散池固定在磁力搅拌器上以磁力搅拌，保持水夹层恒温（32.0℃±0.5℃）。供应室中加入咖啡因的pH7.4磷酸型缓冲液的混悬液作为供应液，接受室中加入pH7.4磷酸盐缓冲液作为接受介质。供应室中插入Ag/AgCl电极为正极，接受室中插入Ag电极为负极，分别进行被动扩散及不同条件的电穿孔（指数衰减型脉冲，脉冲率为4pulses/min，电容器电容为22μF，脉冲幅度为380V、250V、120V，脉冲数为100个、50个、25个、10个）经皮渗透实验。定时取出全部接受液，补加等量接受介质。各时间点取出的接受液用HPLC法测定其中咖啡因浓度（c），再根据扩散池容积（V）及有效扩散面积（Ae）计算各时间点的累积经皮渗透量M（ΔM=∑cV/Ae），从而求得渗透速率J（J=ΔM/Δt）。

（1）380V不同脉冲数的经皮渗透比较。①保持脉冲幅度恒定（380V），脉冲数对咖啡因经皮渗透的影响见表3-38、表3-39。穿孔使咖啡因的累积经皮渗透量及渗透速率均非常显著地大于被动扩散（P<0.01，t检验，n=6）。②随脉冲数增加脉冲的能量增加，咖啡因的累积经皮渗透量及经皮渗透速率并不一定增加。0.5h时累积经皮渗透量无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6），随后25个脉冲与10个脉冲仍无显著性差异，其他则有显著性差异（P<0.05，t检验，n=6）。25个脉冲与10个脉冲的经皮渗透速率无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6），0.25h时四者间无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6），随后（0.75～5h）有显著性差异（P<0.05，t检验，n=6），接着相邻两者间无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6）。③电穿孔脉冲结束后100个脉冲和50个脉冲时咖啡因的经皮渗透速率仍增大，后下降再增大，其他脉冲数时咖啡因的经皮渗透速率逐渐下降然后再增大。11h时脉冲数越少，咖啡因的经皮渗透速率越接近于被动扩散水平。

（2）250V电压下不同脉冲数对经皮渗透的影响。①脉冲幅度恒定（250V）时，随脉冲数增加脉冲的能量增加，咖啡因的累积经皮渗透量及经皮渗透速率并不全都增加。0.5h及1h时的累积经皮渗透量四者间无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6），随后100个脉冲的累积经皮渗透量显著大于其他三者（P<0.05，t检验，n=6），其他三者间则无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6）。0.25h时经皮渗透速率四者间无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6），随后（0.75～3h）100个脉冲的经皮渗透速率显著大于其他三者（P<0.05， t检验，n=6），其他三者间则无显著性差异（P>0.01，t检验，n=6）。②电穿孔脉冲结束后100个脉冲时咖啡因的经皮渗透速率仍逐渐增大，其他脉冲数时咖啡因的经皮渗透速率逐渐下降然后再增大。11h时，脉冲数越少，咖啡因的经皮渗透速率越接近于被动扩散水平。③250V各脉冲数的累积经皮渗透量在2h以后与380V10个脉冲的累积经皮渗透量无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6）。250V各脉冲数的经皮渗透速率在0.75h以后与380V 10个脉冲的经皮渗透速率无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6）。

（3）120V电压下不同脉冲数经皮渗透的影响。①保持脉冲幅度恒定（120V），脉冲数对咖啡因经皮渗透的影响见表3-40、表3-41。电穿孔使咖啡因的累积经皮渗透量显著地大于被动扩散（P<0.05，t检验，n=6）。0.25h时的经皮渗透速率显著地大于被动扩散（P<0.05，t检验，n=6）。被动扩散可忽略不计。②随脉冲数增加脉冲的能量增加，咖啡因的累积经皮渗透量及经皮渗透速率并不增加。0.5h、1h、2h时的累积经皮渗透量四者间无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6）。0.25h、0.75h时经皮渗透速率四者间无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6），5～11h10个脉冲的经皮渗透速率显著小于其他三者（P<0.05，t检验，n=6），其他三者间则无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6）。③电穿孔脉冲结束后100个脉冲时咖啡因的经皮渗透速率仍逐渐增大，其他脉冲数时咖啡因的经皮渗透速率逐渐下降然后再增大。11h时，脉冲数越少，咖啡因的经皮渗透速率越接近于被动扩散水平。10个脉冲时到5h时咖啡因的经皮渗透速率已与被动扩散无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6）。④120V100个脉冲（能量为15.84J）的累积经皮渗透量及经皮渗透速率与380V10个脉冲（能量为15.88J）的累积经皮渗透量及经皮渗透速率无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6）。120V100个脉冲（能量为15.84J）与250V 25个脉冲（能量为17.19J）的累积经皮渗透量及经皮渗透速率无显著性差异（P>0.05，t检验，n=6）。

2.荧光显微镜观察结果

热剥离人尸体表皮被动扩散、电穿孔、离子导入后荧光显微镜观察结果如图3-31、图3-32、图3-33。FITC经蛇皮离子导入后荧光显微镜观察结果见图3-34。

不同脉冲幅度、脉冲数，但能量相同（或相近）的电穿孔对药物的促渗作用相同，这证明电穿孔的促渗作用与电穿孔能量有关。外加电穿孔条件较强（380V 100个脉冲，380V 50个脉冲，250V 100个脉冲，120V 100个脉冲）时，0.75h的渗透速率仍大于0.25h的渗透速率。

比较咖啡因与甲硝唑的结果可知，电穿孔初期，咖啡因的经皮渗透速率小于甲硝唑。这可能是由于甲硝唑的分子量较小，亲水性较好，在电穿孔形成的水性孔中扩散较快的结果。

药物的经皮渗透即是药物扩散通过皮肤的过程，符合Fick's扩散定律。对符合以下条件的Fick's第二扩散定律求解：

又（c0为与皮肤接触的介质中药物浓度，K为药物在皮肤最外层组织中与介质中的分配系数）

当外加电穿孔脉冲时，角质层中形成暂时性水性孔道，孔道中为水性介质，药物通过这些孔道的扩散系数要大于通过脂质途径的扩散系数。只要这些孔还存在则就有药物经过此途径转运。外加电穿孔脉冲结束后，这些孔将恢复，且恢复速度很快。外加脉冲持续时间长，形成的孔大，脉冲结束后，孔面积的经时变化符合指数衰减规律。另有文献报道，外加电脉冲结束后，孔的数量的经时变化符合指数衰减规律。此处用水性孔道占总有效面积的分数来表示电穿孔的数量或面积，由于这一面积分数非常小，因此应当将这一因素考虑进去。据此电穿孔脉冲后，通过水性孔途径的渗透速率经时变化可表示为：

式中，D2为药物在水性孔中的介质中的扩散系数；c0为供应室中药物浓度；K2为药物在水性孔介质与供应室介质中的分配系数，此处因均是水性介质，故取K2=1；a2为电穿孔形成的水性孔占总有效面积的分数；b2为电穿孔形成的水性孔减少的速率常数；n、h、π同前。

相应地，此途径引起的累积渗透量经时变化可表示为：

式中，K2为药物在角质层与供应室介质中的分配系数。

外加电穿孔脉冲时，除了在角质层中形成暂时性水性孔道外，其周围的脂质结构也会发生重排，且受影响的不仅仅局限在局部，而是整个角质层。脂质结构重排的过程比较慢，不能像水性孔那样在短时间内达平衡，并且外加脉冲结束恢复也慢，使之对药物经皮渗透的影响时间较长。由于脂质结构重排的结果是使脂质双分子层排列的有序性降低，因而使药物经过此途径的扩散系数增大（此处设扩散系数增加值为D1），若重排后的脂质在撤去外加脉冲后能完全恢复到原先的序性排列状态，且水性孔能完全恢复，则扩散系数将回复到被动扩散时的扩散系数（此处设为D0）。

水性孔的恢复与周围脂质的运动有关，而水性孔的恢复符合指数衰减规律，因此我们假设脂质有序性的回复同样符合该规律，即脉冲结束后，由于电穿孔脉冲引起的脂质区域扩散系数增加值的变化规律为，则外加脉冲结束后，任意时间t，此途径的扩散系数为：

式中，D0为药物经皮被动扩散的扩散系数；D1为电穿孔使脂质结构重排后扩散系数的增加值；b1为电穿孔后脂质结构重排扩散系数增加值D1减小的速率常数。

二、微针促透技术

各种透皮释药技术对药物和临床性质的要求见表3-42。

1.微针技术背景

MEMS阵列微针（microneedles）是近年发展的高新学科，概念是利用微电子技术制作的尺寸在微米级，材料可以为硅、聚合物、金属等呈针状的阵列结构。

由单晶硅制作的微针虽具有精度高等优点，但它具有成本昂贵，强度脆、易碎的缺点，由于它只能以圆片状微针供货，使用不方便，很难推广。

由聚碳酸酯等聚合物制作的微针，它可以利用精密模具热压成型，而且成卷状供货，生产成本低廉，是一种理想的经皮给药贴剂的基材，但它的安全性令人关切，所以迟迟未能应市；金属微针采用优质医疗不锈钢，沿用德国工匠1896发明的铸造方法，在-60℃的冷冻技术下制造直径在0.07～0.2mm的微针，微针的纯度极高、非常坚硬。一个微针滚轮有多达192～540根细针，一般传统的方法，相对分子质量大于400的大分子活性营养成分只能渗透入表皮的角质层，根本无法透过角质层经皮吸收，效果并不显著（只达到约百分之零点三的成效）。利用微针滚轮上许多微小的针头，穿刺皮肤，在很短时间内微针可以做出超过200000个微细管道，令活性成分有效渗入皮肤，从而达到治疗效果。微针滚轮在美容保健领域中广泛应用，尤以法国、韩国、中国台湾和日本应用微针穿透皮肤表皮层及真皮层之细胞，刺激真皮层的伤口自愈能力，从而达到减淡皱纹、治疗瘢痕及妊娠纹、肌肤美白、减淡色斑、改善眼部皱纹、黑眼圈、收紧及提升面部皮肤组织等理想效果。同时微针刺激真皮层，通过皮肤的自愈能力，促进骨胶原增生，可使皮肤表皮层的厚度增生约百分之八，美容效果可媲美激光及填充式的整形手术。中药经皮给药贴剂的物理促透，借鉴这种方法是行之有效的。

2.微针促透的优点

国际医药界将微针技术试用于透皮释药，在性能上具有常规方法所不可比拟的特性，是透皮释药系统的高新技术。国外现有美国、以色列等近20家企业致力于微针开发，主要用于寡核苷酸、蛋白疫苗、甲状旁腺素、胰岛素和甲流疫苗给药，开始临床试验。

中医临床使用梅花针叩打皮肤后，或刮痧后，亦经常敷药，起到良好释药作用。其遵循的也是中医开泄腠理，泄邪补气，引药归经的基础理论。这些医学实践与原理，同微针释药机制类同。说明中药与微针结合完全可行。

微针促透的优点包括：①无痛（微针能穿透10～40μm的角质层，到达没有血管，几乎没有神经组织的活性表皮层）；②效率高（可使药物渗透量增大1000倍）；③安全，不感染，安全性大于针灸；④高技术低用，大规模生产后成本低廉。

3.金属微针滚轮

金属微针具有多种规格（图3-35，图3-36），不同规格具有不同作用：如使用1.5mm微针滚轮能穿透至真皮层，通过刺激皮肤的天然伤口愈合能力，诱发骨胶原自然增生。0.5mm微针于表皮层造出多个穿透细胞的微细管道，形成一个优质的养分输送系统。微针可使药物渗透至真皮层，更可舒缓眼部四周的细小皱纹等较薄的表皮层范围，效果持久可靠。0.2mm微针按摩棒可于表皮层上直接使用而没有缓冲期，可治疗脱发、用于家用护理、有效输送养分。

4.微针的具体操作方法与详细步骤

（1）微针和胶头消毒方法：取75％酒精50ml，将微针放入内浸泡20min最后用生理盐水冲洗。

（2）皮肤清洁和消毒方法：清洁皮肤操作部位，再用酒精擦拭操作部位。最后用生理盐水擦拭操作部位以防止皮肤对酒精过敏。请严格按照消毒流程，避免因为消毒不当造成皮肤炎症。

（3）用微针以“米”字形滚动（图3-37），滚动操作时间为5～15min。再将经皮给药贴剂贴于皮肤，按摩5min以上。

微针操作后的皮肤会呈现红色，有些患者操作部位会有轻微肿胀，此时可敷上微创修复冰膜，使微创后的皮肤即刻得到修复（图3-38），增加保湿并退红。对皮肤敏感的患者也用利多卡因局麻止痛乳液涂抹。

5.透皮释药效果

经摸索建立了适用的试验方法，如色谱重叠图谱法（图3-39），可快速简捷地初筛合适的参数，证明中药复杂组分可高效透皮给药，中药复杂成分可完整透皮给药。

不同针形微针阵列预处理小鼠皮肤后青藤碱的累积透皮量（±s，n=3）（图3-40）：100μm微针、200μm微针对药物的促渗能力依次增强，它们对应的青藤碱透皮速率分别为（70.07±3.12）μg/cm2·h和（90.21±5.27）μg/cm2·h，显著高于对照组的透皮速率（1.72±0.085）μg/cm2·h（P<0.01），2种微针所引起的药物透皮速率分别为对照的40.7倍和52.4倍。

随着200μm微针对皮肤预处理时间增加，药物的透皮速率也增大。200μm微针对皮肤预处理1min、3min、5min和7min所引起的青藤碱的透皮速率分别为（28.57±1.04）μg/cm2·h，（90.21±5.27）μg/cm2·h，（95.05±5.34）μg/cm2·h和（130.60±5.41）μg/cm2·h，分别为对照组透皮速率的16.6倍、52.4倍、55.3倍和142.0倍（P<0.05）。

微针贴剂累计透皮量见图3-41。

6.中药-微针贴剂的研发目标

我国中药膏贴历史悠久，安全、方便、有效，用药阈值大，但透药量低，治疗病种少。将MEMS微针与中药贴剂相结合，发展成为新型外用释药产品如中药MEMS微针栅阵列贴剂，可广泛用于中医皮肤病、儿科疾病、针灸、急性病等方面，前景更加广阔。

三、超声波促透技术

物体在进行机械振动时产生疏密的弹性波，达到耳内而成声音。一般人耳能听到的振动频率为16～16000Hz，当振动频率超过16000Hz时就不能引起人听觉的机械振动波，即为超声波。超声波具有频率高、方向性好、张力大等特点。当它传播到物质中会产生剧烈的强迫振动，并产生定向力和热能。

超声波治疗仪能发射一种疏密交替可向周围介质传播的波形，它比一般声波有更强大的能量。超声治疗仪就是一种通过超声波作用于人的肌肤，促进皮肤吸收的仪器。超声波广泛应用于美容领域。化妆品的超声波导入方法：除皱、紧肤、改善皮肤外观以及溶质塑形等方面越来越显示出其优越性。

医学上将频率在500～5000kHz的超声波，通过各种方式作用于人体达到治疗疾病的方法，称为超声波疗法。其作用原理是利用超声波作用于人体时产生的机械振动作用、温热作用及化学作用，有利于促进药物吸收（图3-42，图3-43）。

超声波具有以下几个作用。

（1）机械作用：超声波具有很高能量，频率高，振动速度快，提供的动能大；当其作用于人体时，会引起皮肤细胞振动，皮肤细胞便得到细微而强烈的按摩。从而增强了细胞膜的新陈代谢、通透性，改善了血液与淋巴的循环。提高了组织的再生能力，使坚硬的结缔组织延长、变软，使细胞内部发生变化，引起细胞功能的变化。利用超声波的机械效应刺激纤维母细胞，产生新的胶原纤维，使皮肤重新变得饱满光滑，恢复原有弹性，达到消除皱纹，缩小毛孔的目的。机械振动可以软化组织，减轻瘢痕形成及预防肌腱挛缩。

机械波深入皮下，对脂肪细胞产生空化效应，增强细胞膜的通透性，使脂肪细胞内容物甘油三酯、甘油酸异化成H2O、CO2-ATP并随循环系统排出体外，从而达到局部减肥作用。

（2）温热作用：超声波的声能可以转化为热能，是一种皮肤无感觉的内生热。当药物随声波传入皮肤后，组织细胞的振动摩擦使机械能变成热能，从而引起血管功能（增强血管功能，改善微循环）及新陈代谢过程的变化，血液循环旺盛，细胞吞噬作用加强，提高了机体的防御能力，加速炎症消失；同时神经兴奋性降低，又具有镇痛解痉作用。

（3）理化作用：主要表现在聚合反应和解聚反应。聚合反应是将许多相同或相似的分子合成一个较大分子的过程，实质上表现为对损伤组织的再生有较强的促进作用。解聚反应是使大分子黏度下降，分子量减小，在超声波作用下，药物解聚，药物黏稠度暂时下降，有利于药物的透入和组织对药物的吸收，大大增强了药物的疗效。文献报道：超声波导入可引发药物、介质、细胞内微粒的高速振动，降低细胞的膜电位，增强细胞膜的通透性，改善皮肤脂层结构，促进营养物质经皮吸收，还可以激活深层组织细胞，加速新陈代谢。

超声波作用于人体皮肤会加强皮肤的血液循环，促进皮肤的新陈代谢，改善皮肤细胞膜的渗透性。超声波可改变细胞内部结构，引起细胞功能变化，增强细胞活力，改善淋巴液循环，对损伤组织有促进血管形成，提高组织再生的能力。