眼部给药装置及相关方法 相关申请的交叉引用 [0001] 本申请要求 2021 年 10 月 8 日提交的美国临时专利申请号 63/253,686 的权益,该申请的全部内容通过引用并入本文。 关于联邦政府资助的研究或开发的声明 [0002] 本发明是在空军科学研究办公室授予的 FA2386-18-1-4071 政府支持下完成的。 政府对本发明享有某些权利。 发明背景 [0003] [0001] 本发明一般涉及眼部药物递送系统,并且更具体地涉及眼部药物递送装置和相关方法。 [0004] 许多目前常见的眼部给药方法依赖于使用滴眼液或软膏进行局部眼部给药。 然而,由于眼部屏障的存在,这些方法的生物利用度通常限制在 5% 以下。 因此,目前的治疗方案往往需要大剂量或频繁的局部应用,这给患者带来了负担,并增加了角膜炎、视力模糊和眼睛不适等副作用的风险。 [0005] 在过去十年中,微针的不断创新协同推进了眼部药物输送领域,使眼部药物能够通过眼部屏障进行靶向注射,从而提高治疗效果。 然而,由于微针在亚毫米范围内的尺寸相对较大以及角膜异常敏感(即角膜疼痛),因此在人眼中的临床应用受到限制。 微针的亚毫米尺寸也可能导致角膜损伤。 最近的努力使 生产进一步小型化(例如,基部直径降至 250 pm)和可生物降解的微针,用于相对无痛的眼部药物输送,并减少副作用。 然而,由于可生物降解复合材料(例如聚(乳酸-共-乙醇酸)(PLGA)和甲基丙烯酸透明质酸(MeHA))的快速溶解特性(即爆释),它们的长期治疗效果仍然是一个挑战 ,一般在下午 24-120 点左右的范围内。 ¹ . 这些挑战在治疗慢性眼部疾病时尤其成问题,例如角膜新生血管形成 (CNV),这可以从长期持续的药物输送中获益。 [0006] 垂直排列的硅纳米针 (Si NN) 阵列,因为它们具有纳米级尺寸、低毒性和缓慢的生物降解性(例如,小于 20 nm-day' ¹ 在生理条件下)对微创和长期持续的药物输送特别感兴趣。 对于治疗递送,硅纳米针的表面可以被功能化以容纳各种药物分子,如类固醇、激素、蛋白质和抗癌剂,然后经皮或腹膜内注射到人体中而没有明显的副作用。 尽管前景广阔,但由于纳米加工的复杂性,硅纳米针必须绑定到平坦的刚性硅晶片上,当与角膜的曲线软表面接触时,这将不可避免地导致机械不匹配(即不适和疼痛)。 事实上,这些硅纳米针都没有应用于人眼。 [0007] 鉴于以上所述,可以理解存在与现有技术相关联的某些问题、缺点或缺点,并且如果可获得能够至少部分地克服或避免的基于硅纳米针的眼部药物递送装置将是可取的 上述问题、不足或缺点。 发明简述 [0008] 根据本发明的一个方面,提供了一种眼部药物输送装置,其包括具有被配置为适合眼睛角膜的曲率的隐形眼镜、附接到隐形眼镜表面并从其突出的硅纳米针阵列,以及 装载在硅纳米针阵列的单个纳米针上的治疗药物货物。 [0009] 根据本发明的另一个方面,制造眼药的方法 提供传送装置。 该方法包括在基板上形成垂直排列的纳米级多孔柱阵列,垂直排列的纳米级多孔柱阵列的各个柱具有远离基板延伸的远端和邻近基板的近端,各个柱 每一个都具有在其近端形成于其中的底切,该底切具有独立柱的最小直径。 柔性膜平行于基板形成,其间具有气隙。 各个支柱的远端嵌入柔性薄膜中。 将柔性膜从基底剥离,使得各个柱的近端在基底的底切处脱离基底,并且各个柱的远端保持嵌入柔性膜中,各个柱保留在柔性膜中限定 纳米针阵列。 柔性薄膜变形为隐形眼镜。 单个纳米针装载有治疗药物货物。 [0010] 根据本发明的又一方面,提供了一种将治疗药物货物释放到眼睛的方法。 该方法包括提供一种眼部药物输送装置,该装置包括附接到隐形眼镜表面的纳米针阵列,将眼部药物输送装置应用于眼睛,使得隐形眼镜的表面接触眼睛的角膜和单独的纳米针 将纳米针阵列的一部分插入角膜,并溶解隐形眼镜,同时将单个纳米针插入角膜。 随着时间的推移,单个纳米针在角膜中降解,导致释放装载到单个纳米针上的治疗药物货物。 [0011] 上述眼部给药装置的技术效果优选包括能够提供局部治疗,例如但不限于治疗各种慢性眼部疾病或损伤,包括青光眼、白内障、干眼症和移植排斥反应。 本发明的其他方面和优点将从以下详细描述中得到理解。 附图的简要说明 [0012] 图1A至1D表示根据本发明的某些非限制性方面的眼用药物输送装置的生产方法。 数字包括原理图 插图(上图)和光学图像(下图),用于制备硅纳米针并将其从硅晶片物理转移到泪溶性隐形眼镜,包括(图 1A)将硅纳米针转移到 PMMA 薄膜, (图 1B) 沉积具有抗炎药物的水溶性薄膜,(图 1C) 将所得结构热压到镜片形状的模具中,以及 (图 ID) 将治疗药物加载到表面 硅纳米针。 [0013] 图2A至2D表示使用图1A至1D的方法生产的眼部药物输送装置的工作原理和非限制性控制策略。 图2A表示双相药物递送过程的延时示意图。 图 2B 表示分别从泪溶性隐形眼镜和硅纳米针双相释放 IgG 488(绿色)和 647(红色)的延时共聚焦荧光显微镜图像。 图2C表示具有溶解的泪溶性隐形眼镜的去核兔眼的延时照片。 图2D表示具有嵌入角膜的硅纳米针的去核兔眼的延时横截面共聚焦荧光显微镜图像。 [0014]图3A至3F表示药物加载机构和控制。 图 3A 分别表示硅纳米针表面和泪溶性隐形眼镜中共价加载的 IgG 647(红色)和物理加载的 IgG 488(绿色)的共焦荧光显微图像。 图 3B 表示单个硅纳米针的彩色 SEM 图像以及药物加载机制的示意图。 图 3C 是加载在硅纳米针上的药物剂量作为表面孔隙率函数的图形表示,固定长度为 60 pm,所有数据表示为平均值±标准差,每组 n = 3。 图 3D 是加载在硅纳米针上的药物剂量随长度变化的图形表示,固定表面孔隙率为 30%,所有数据表示为平均值±标准差,每组 n = 3。 图 3E 是与未稀释溶液(黑色)相比,在 pH 7.4(红色)的 5% v/v 乙醇稀释剂(蓝色)和标准 PBS 稀释剂溶液中稀释时的总药物量的图示,所有 数据表示为平均值±标准偏差,每组 n = 3,与使用方差分析的未稀释对照溶液相比,***p < 0.001。 图 3F 表示 SDS-PAGE 的结果,揭示了在乙醇稀释剂中稀释的 Bev 的分子量(右边的四个泳道)与 未稀释的溶液(左起第 2 道) [0015] 图4A至4D表示溶解动力学和药物释放动力学。 图 4A 是在 37°C 下浸入 5 ml 模拟泪液中时泪溶性隐形眼镜的弯曲刚度(红线)和溶解时间(蓝线)的测量结果的图形表示,作为 厚度范围为 4 至 80 pm,分子量为 31,000(三角形符号)和 61,000(圆形符号),所有数据均表示为平均值±标准偏差,每组 n = 5。 图 4B 是硅纳米针在含有 1 ml 模拟泪液的 1.4% w/v 琼脂糖凝胶中在 37 °C 下溶解两个月的图形表示,表面孔隙率范围为 0-60%,并且 存在 3 nm 厚的无针孔 AI2O3 层,所有数据均表示为平均值±标准偏差,每组 n = 5。 图 4C 是 IgG 488 和 647 在 37 °C 下浸入 1 ml 模拟泪液中 120 小时的累积释放的图形表示,其中每一种都物理和共价加载到泪溶性隐形眼镜中(蓝线) ) 和硅纳米针的表面(即孔隙率 = 30%)有(红线)和没有(紫线)Al2O3 钝化层的存在,所有数据表示为平均值±标准差,n = 3 每组。 图 4D 是在 4°C 的冰箱中储存一天(红色条)和三天(蓝色条)后 12 和 120 小时从硅纳米针释放后量化 Bev 生物活性的 ELISA 结果的图形表示 ,与作为对照的一瓶新的新鲜 Bev 溶液(黑条)相比,所有数据均表示为平均值±标准偏差,每组 n = 3,并且与对照未稀释溶液相比,***p < 0.001 方差分析。 [0016] 图5A至5C表示兔CNV模型中的体内评价。 图 5A 表示在第 0 天(即治疗前)和第 1、3、7、14 和 28 天(即治疗期间)兔眼上 CNV 的延时彩色、无红色、分段和叠加图像。 疗法)使用 10 pm 长(左图)和 60 pm 长(右图)硅纳米针。 图5B是量化CNV从第0天到第28天的动态变化的VD分析结果的图形表示,所有数据表示为平均值±标准差,每组n=3。 图 5C 表示在第 0 天(即,恰好在镜片验配之前和之后)和第 1、7、14 和 28 天使用 60 pm 长的硅纳米针进行治疗的兔眼的延时横截面 OCT 图像( 即,治疗)。 [0017]图6A至6F表示从生物相容性和生物安全性调查中获得的数据。 图 6A 是用(红色条)和不用(黑色条)60 pm 长的硅纳米针接种三天的 HCEpiCs 体外细胞活力测定的图示,所有数据均表示为平均值±标准偏差,n = 每组 5,与使用 ANOVA 的未处理组相比,***p < 0.001。 图 6B 表示使用 10 pm 长(上图)和 60 pm 长(下图)硅纳米针在治疗第 28 天用苏木精-伊红 (H&E) 染色的兔角膜的横截面组织学视图 有(左图)和没有(右图)Bev 的存在。 图 6C 是角膜上皮厚度测量结果的图形表示,所有数据均表示为平均值±标准差,每组 n = 3,并且组中 *** p < 0.001,并使用 ANOVA 与未治疗组进行比较 . 图 6D 表示在第 28 天使用 10 pm 长(上图)和 60 pm 长(下图)硅纳米针(左图)和 没有(右面板)Bev 的存在。 图6E是p63细胞标记物的半定量的图示。 图6F是内皮密度量化的图示,所有数据表示为平均值±标准差,每组n=3,并且与未治疗组相比使用ANOVA *** p > 0.005。 [0018] 图7A是描述在硅晶片上制造硅纳米针的示意图。 图7B表示SEM图像,分别突出了底部根部和沿着硅纳米针表面的底切和纳米孔。 [0019] 图 8A 至 8D 表示根据(图 8A) 基部直径(即 > 900 纳米)、(图 8B) 纵横比(即 6-38)、(图 8A)、(图 8B)、(图 8C) 尖端形态(即,圆柱形、圆锥形或锥形末端),和(图 8D)表面孔隙率(即,0-60%)。 [0020] 图9A是与市售软透明隐形眼镜以及去核猪角膜相比,泪溶性隐形眼镜上的硅纳米针的透射率的图示。 图9B至9D分别表示泪溶性隐形眼镜(图9B)、商业软透明隐形眼镜(图9C)和去核猪角膜(图9D)上的硅纳米针的照片。 [0021] 图 10 表示具有适合各种角膜形状的定制尺寸的可溶性泪液隐形眼镜的延时照片,包括鸡眼(上图)、猪眼(中图)和牛眼(下图) . [0022] 图 11 表示硅纳米针在第 1、40、80 和 120 天降解时的延时 SEM 图像,表面孔隙率从 0% 到 60% 不等,并且存在 3 nm 厚的无针孔 Al2O3 层 . [0023] 图12A是硅纳米针在含有1ml模拟泪液的1.4%w/v琼脂糖凝胶中在37°C下溶解长达四个月的图示,具有从0%到60%的不同表面孔隙率并且具有 存在 3 nm 厚的无针孔 AI2O3 层,所有数据均表示为平均值±标准偏差,每组 n = 5。 图 12B 是 IgG 488 和 647 在 37 °C 下浸入 1 ml 模拟泪液中 55 天的累积释放的图形表示,其中每一种都物理和共价加载到泪溶性隐形眼镜中(蓝线) ) 和硅纳米针的表面(即孔隙率 = 30%)有(红线)和没有(紫线)Al2O3 钝化层的存在,所有数据表示为平均值±标准差,n = 3 每组。 [0024] 图13是根据本发明的非限制性方面的结合有药物分子的硅纳米针(Si NN)的示意图。 发明详述 [0025]以下对本发明的详细描述以及其中使用的措辞和术语的预期目的是描述附图中所示的内容,包括对本发明的一个或多个非限制性实施例的描述和/或涉及本发明的一个或多个非限制性实施例,并且描述 附图中描绘的某些但不是所有方面,包括附图相关的实施例s)。 下面的详细描述还描述了与附图中描述的实施例相关的某些研究,并且标识了附图中描述的实施例的某些但不是所有替代方案。 作为非限制性示例,本发明包含附加或替代实施例,其中可以删除作为特定实施例的一部分显示和/或描述的一个或多个特征或方面,并且 还涵盖结合作为不同实施例的一部分显示和/或描述的两个或更多特征或方面的附加或替代实施例。 因此,所附权利要求而非详细描述旨在特别指出被视为本发明方面的主题,包括某些但不一定是详细描述中描述的所有方面和替代方案。 [0026] 为了便于下面提供对附图中所示实施例的描述,相关术语包括但不限于“近端”、“远端”、“前部”、“后部”、“垂直”、“水平”、 “横向”、“前”、“后”、“侧”、“前”、“后”、“上”、“下”、“上”、“下”、“上”、“下”、“右” ”、“左”等,可参考眼用药物输送装置在其使用期间的定向和/或如附图中所表示的那样使用。 所有这些相关术语都有助于描述所示实施例,但不应被解释为限制本发明的范围。 [0027] 如图 1D、2A、2C、9B 和 13 所示,眼部药物输送装置 10 以隐形眼镜 12 的形式提供,其中一个或多个纳米针 14 装载有治疗药物 16,用于通过接触输送药物 眼睛 18。虽然预计眼部药物输送装置 10 将最典型地用于向人眼释放治疗药物货物,但眼部药物输送装置 10 也可用于将药物货物输送至 其他动物的眼睛。 隐形眼镜 12 具有配置为适合眼睛 18 的角膜 20 的曲率。纳米针 14 配置为在将隐形眼镜置于眼睛上的操作位置时接触、穿透并嵌入角膜 20 内 . 一旦应用于眼睛 18,隐形眼镜 12 响应于与泪液接触而经历快速(例如,不到一分钟)降解,留下嵌入角膜 20 中的纳米针 14。纳米针 14 然后经历逐渐降解(例如,向上 到一个月或更长时间)在角膜 20 内并逐渐释放治疗药物货物,例如治疗药物 15,在这种降解过程中连接到纳米针。 此类药物货物可能包括但不限于各种药物分子,例如类固醇、激素、蛋白质和抗癌剂。 可选地,额外的治疗药物货物,例如消炎药,可以连接到隐形眼镜12并且在隐形眼镜降解时快速释放。 眼部药物装置10可用于治疗,例如但不限于治疗各种慢性眼部疾病或损伤,包括青光眼、白内障、干眼症和移植排斥反应。 在 在一些布置中,眼部药物递送装置10可以包括在其表面上具有纳米针14的泪溶性隐形眼镜12及其适用于将治疗性药物货物局部用于眼睛的使用方法。 例如,眼用药物输送装置10可以提供柔性的、可溶于泪液的隐形眼镜12,其具有在隐形眼镜12的凹面上并从其径向向外突出的垂直排列的生物可降解硅纳米级针(纳米针)阵列。 [0028]图1A至1D和7A表示非限制性方法50的方面,该方法可用于使用光刻图案化工艺在硅晶片22上制造硅纳米针14,随后进行一系列干法和湿法蚀刻工艺以形成底切24和 底部根部和沿表面的孔隙 26,分别如图 7B 中最佳所示。 如图 7A 和参考图 1A 和 1B 所示,体硅晶片 22(例如,p 型;525 微米厚;0-100 微米-厘米)可以浸入缓冲氧化物蚀刻剂(例如, , 一分钟) 以去除其上的自然氧化层。 在步骤52,可以执行光刻图案化和各向异性深反应离子蚀刻(DRIE)以限定具有预定纵横比的垂直有序的硅微柱30阵列。 在步骤54,薄钝化层32,例如(CxF _y )n聚合物,可以使用八氟环丁烷(C4F8)气体(例如,在800W的射频(RF)等离子体功率下130sccm的流速)涂覆在硅微柱30的表面上。 硅微柱 30 的底部根部 34 可以在步骤 56 使用各向异性干法刻蚀工艺故意不钝化以形成底切 24,例如,使用六氟化硫 (SFe) 气体(例如,在 RF 等离子体功率下 85 sccm 的流速和 压板功率分别为 450 W 和 14 W)。 在步骤 58,可以去除硅微柱 30 表面上剩余的钝化层,例如,使用氧 (O2) 等离子体(例如,20 sccm;150 W;50 mTorr;15 分钟)和 piranha 清洁 混合溶液包含例如按体积计75%的硫酸(H2SO4)和25%的过氧化氢(H2O2)。 在步骤60,例如通过浸入磷酸盐缓冲盐水(PBS;pH=7.4;67° C;八小时或更长时间),然后在氢氧化钾(KOH;15% wt;25 °C;十分钟)中。 [0029] 在步骤62,纳米孔26形成在硅纳米针14的表面中并沿着其表面形成。例如,金属辅助化学蚀刻(MACE)工艺可以是 将硅纳米针14浸入硝酸银(AgNCh;20mM)和氢氟酸(HF;49%)溶液的混合溶液中,沿着硅纳米针14的表面形成纳米孔26。例如,整体 通过分别执行约三十、六十或九十秒的MACE工艺,硅纳米针14的表面孔隙率可以可控地增加到约百分之三十、四十五或六十。 然后可以将硅纳米针 14 浸入银蚀刻剂溶液(TFS,KI-12 络合物液体)中约一分钟,以去除硅纳米针 14 表面上的剩余银残留物。相对较薄(例如,3 nm 厚) )无针孔钝化层包含例如Al2O3可使用原子层沉积(ALD;三甲基铝前体;脉冲0.015秒;0.2托;氮气(N2)在20sccm吹扫20秒;基板温度在150° C)。 在这样的实施例中,ALD工艺可以根据需要重复以获得期望的层厚度(例如,每个循环约1A厚的Al 2 O 3 层;重复三十次以获得3nm的总厚度)。 [0030] 可以调整光刻图案化工艺、干法刻蚀工艺和湿法刻蚀工艺的参数以控制硅纳米针14的几何配置,例如根据基部直径(即>900nm)、纵横比 (即 2-67)、尖端形态(即圆柱形、圆锥形或锥形端)和表面孔隙率(即 0-60%)。 可能配置的非限制性示例在图8A至8D中表示。 [0031]图1A和1B提供了用于将步骤62中制备的硅纳米针14从供体硅晶片22转移到泪溶性隐形眼镜的非限制性方法方面的示意图(上图)和光学图像(下图)。 首先,可以将聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)的薄层36(例如,约200μm厚)沉积(例如,旋转浇铸)作为硅纳米针14上的涂层并退火(例如,80℃两小时) ). 由于表面张力,硅纳米针的底部根部可能会形成气隙(例如,约 16 pm)。 在步骤 64,以恒定速率(例如,50 mm-min' ¹ ) 然后使用自动剥离装置 (图 1A, 顶部面板) 执行。 在此剥离过程中,机械应力集中在硅纳米针 14 的底部底切 24 处产生裂纹,导致它们与供体硅晶片 22 物理分离。扫描电子显微镜 (SEM) 图像(图 1A,底部面板) 显示了与剥离分离的硅纳米针底部底切的非限制性示例 过程。 硅纳米针均匀开裂,从 PMMA 层 36 露出约 15 微米的长度。 [0032] 在步骤66,可以将在蒸馏水中稀释的水溶性 PVA 溶液(例如,2% wt;分子量 = 31,000)沉积(例如,旋转浇铸)穿过暴露的底部底切 24 的暴露表面,然后进行 热退火工艺(例如,60°C持续一小时)以聚合PVA溶液以形成其中嵌入硅纳米针14的底部底切24的PVA膜38(例如,约40μm厚)。 SEM 图像(图 1B,下图)显示了在底切 24 处覆盖硅纳米针 14 端部的聚合 PVA 膜 38 的示例。为了增强治疗功效,PVA 膜 38 可以与抗炎药 40 混合 和/或其他类型的眼部药物,以实现双相药物释放,即从泪溶性隐形眼镜 12 中初始快速释放抗炎药物 40,然后是治疗性眼部药物 16 的长期持续释放 来自硅纳米针 14. [0033] 在步骤 68,可以将整个结构(即 PMMA/硅纳米针/PVA)修剪成圆形(例如,直径 10-15 毫米),然后可以将修剪后的结构压入隐形眼镜形状的模具中 (例如,90°C,持续五分钟;图 1C),其中 PMMA 层 36 面向所得隐形眼镜结构 12 的凹面(如图所示向上)。隐形眼镜 12 优选配置为适合角膜 眼睛的形状,并且可以具有例如从 8.3 到 9.0 毫米范围内的各种基弧半径。 例如,可以使用具有范围从8.3到9.0mm的不同基弧半径的用于人造眼的隐形眼镜形状的模具。 然后可以用例如丙酮选择性地去除PMMA层36(例如,在70°C下浸泡四小时)。 SEM 图像(图 1C,底部面板,插图)显示了来自 PVA 隐形眼镜 12 表面的示例性暴露硅纳米针 14,其暴露长度约为 60 微米。 硅纳米针14的长度优选地在对应于人角膜上皮层(例如,约50μm厚)的最大可注射深度(例如,约43-63μm)内,以避免或减少引起不可逆角膜基质的可能性。 疤痕。 [0034] 在步骤70,抗体治疗性眼药16被施加到纳米针14。硅纳米针14的表面可以用硅烷化学功能化以形成 强共价交联剂键合至感兴趣的治疗性眼部药物16,例如抗体治疗性眼部药物(图1D,上图)。 可在泪溶性隐形眼镜(图 ID,底部面板)的瞳孔区域打孔 42(例如,直径约 2-8 毫米),以促进眼睛中央视轴处的清晰视觉,同时最大限度地减少 当手术放置在眼睛上时,角膜基质混浊的潜在风险。 泪溶性隐形眼镜12的厚度可在约37-43μm的范围内,这比标准商用隐形眼镜薄(例如,约50-180μm厚)。 优选地,可溶泪液的隐形眼镜12可以在其溶解在泪液中之前提供视觉透明度,使得光学传输与可见光谱(即,400 -700 纳米)(图 9A)。 [0035] 图2A示意性地表示了硅纳米针14在使用眼部药物递送装置10进行眼部药物递送中的工作原理。具体地,通过将​​泪溶性隐形眼镜12轻轻地插入到眼睛上,将硅纳米针14嵌入角膜上皮层内 (图 2A,左)。 泪溶性隐形眼镜12然后完全溶解在泪液中,优选地在不到一分钟内,通过它可以任选地执行抗炎剂40或其他眼部药物的初始突释(图2A,中间)。 平行地,通过硅纳米针14在泪液存在下的水解反应变成硅酸和氢,在长时间(例如,超过一个月)内嵌入的硅纳米针14逐渐溶解在角膜20中,通过 其中进行了治疗药物 16 的长期持续释放(图 2A,右)。 [0036] 如本文所用,术语“纳米针”是指纳米级或纳米级针,其形状通常为圆锥形或管状,并具有几何特征,包括小于 1 pm 的最小尖端直径、小于 10 pm 的底部直径和长度为 至少下午 1 点。 本文公开的硅纳米针优选具有约50至900nm的最小尖端直径、约0.9至5μm的基部直径和约1至100μm的长度,更优选具有约150nm的最小尖端直径、约2μm的基部直径 到下午 4 点,长度约为晚上 10 点到 70 点。 [0037] 硅纳米针14的孔隙率与其载药量和释放速率有关。 硅纳米针14的孔隙率可在约0至 大约 80%,例如,从大约 0% 到 60%。 在某些实施例中,硅纳米针14的平均孔隙率优选为约15%至60%,更优选为约25%至50%,例如约45%。 在某些实施例中,眼部药物递送装置10可以具有每1x1cm 2 硅纳米针附着的薄膜表面面积10pg或更多的载药能力,作为非限制性示例,15pg至约50pg , 每 1x1 厘米 ² . [0038] 硅纳米针14可具有药物释放曲线,其包括在接种后24小时内快速释放其载药直到它们逐渐达到释放并维持一段时间的持续的、预定的剂量。 在这样的实施例中,在接种后24小时或更短时间内,硅纳米针14优选地提供足以为应用提供治疗效果的缓释剂量(例如,处于或高于目标药物的最小抑制浓度),以及更多 优选地为应用提供高于半数最大抑制浓度(IC50)值的持续释放剂量。 这种预定剂量的持续释放(例如,在最初的快速释放之后)优选持续至少24小时的时间段,例如长达约28天或更长时间。 此类缓释剂量和时间段可根据具体应用进行控制。 [0039]现在将参考导致本发明的实验研究来描述本发明的非限制性实施例。 具体而言,进行了体外、离体和体内综合研究,不仅揭示了眼部给药装置的基本特性,而且还验证了与目前的金标准疗法相比,兔 CNV 模型的治疗效果和生物安全性。 [0040] 对于这些研究,根据上述过程生产具有接触镜12的眼部药物输送装置10,接触镜12上具有垂直排列的可生物降解硅纳米针14阵列。 硅纳米针14的表面用3-三乙氧基甲硅烷基丙基琥珀酸酐(TESPSA)处理以形成与抗体眼部药物16例如抗血管内皮生长因子抗体贝伐珠单抗(Bev)的酰胺型共价键合。 具体而言,用 Alexa Fluor 647 和 488 标记的 IgG 用于模拟沿硅纳米针 14 表面共价键合的 Bev 和泪溶性隐形眼镜 12 中物理加载的爆发释放药物(例如,抗炎药物 40), 分别。 对于 IgG 647 的共价键合,在室温下将 500 μl TESPSA 施加到硅纳米针 14 上 10 分钟,以用硅烷使表面功能化,然后用无水乙醇洗涤。 更具体地说,通过将 50 μl IgG 647 与浓度为 600 pg-ml' 的溶液混合来制备 30 pg IgG 647 ¹ 和 950 pl 无水乙醇。 在该溶液中,将硅纳米针14在室温下浸渍30分钟后,用无水乙醇清洗。 Bev 的共价键合过程与 IgG 647 的相同。对于 IgG 488 的物理加载,10 μl 浓度为 100 pg-ml 的 IgG 488 ¹ 与 1.5 ml PVA(2% wt;分子量 = 31,000)混合并以 300 rpm 搅拌一分钟。 [0041] 图 2B 表示一系列共焦荧光显微图像,这些图像展示了分别从泪溶性隐形眼镜 12 和硅纳米针 14 中分别以 Alexa Fluor 488(绿色)和 647(红色)标记的免疫球蛋白 (IgG) 的示例性双相释放。 使用含有 1 ml 模拟泪液的 1.4% w/v 琼脂糖凝胶来模拟人角膜的机械刚度 (E « 20 kPa) 和泪液含量 (> 80%)。 用于获得该示例性数据的模拟泪液包括 100 毫升去离子水与 0.68 克氯化钠 (NaCl)、0.22 克碳酸氢钠 (NaHCCh)、0.008 克氯化钙二水合物 (CaCh^EEO) 的混合物 和 0.14 克氯化钾 (KCl)。 结果表明,IgG 488(绿色)的初始突释发生在泪溶性隐形眼镜 12 溶解后的第一分钟内,而 IgG 647(红色)的释放在四十八小时内几乎没有出现。 [0042] 图 2C 显示了去核兔眼的相应离体结果,该兔眼在角膜厚度(540-560 pm)和曲率(基弧半径为 8.3-9.0 mm)方面提供了与人眼的解剖学相似性。 将泪溶性隐形眼镜戴到兔眼上,然后在模拟泪液存在的情况下在一分钟内完全溶解。 如图 10 所示,可溶性隐形眼镜的整体尺寸可调,以适应各种角膜形状,包括鸡眼(直径 10 毫米;基弧半径 5.2 毫米)、猪眼(直径 14 毫米) ;基弧半径 9 毫米)和牛眼(直径 30 毫米;基弧半径 15 毫米)。 由于纳米尺寸效应,硅纳米针 14 在整个角膜表面是不可见的,因此不会引起明显的角膜穿刺。 图 2D 中所示的共聚焦荧光显微镜证实了整个长度(即 60 pm 长) 在模拟泪液存在的情况下,硅纳米针 14 被嵌入角膜而不会随时间被冲走。 结果还证实,大部分 IgG 647(红色)在 48 小时内保留在硅纳米针 14 的表面,这意味着与局部滴眼液相比,角膜前药物停留时间大大延长(即 1-30 分钟)和软膏(即 1-8 小时)。 [0043]图 3A 提供了代表性的共焦荧光显微图像,显示 IgG 647(红色)通过共价键合均匀地加载在硅纳米针 14 的表面上。 IgG 488(绿色)被物理封装(即物理加载)在泪溶性隐形眼镜 12 中,IgG 647(红色)的残基可忽略不计。 图 3B 提供了单个硅纳米针 14 的彩色 SEM 图像以及药物加载机制的示意图。 通过调节由纳米孔 26 引起的表面孔隙率或硅纳米针 14 的尺寸来控制药物剂量。例如,IgG 647 的剂量从 10.17 ± 0.70 增加到 17.44 ± 0.74 pg 硅纳米针在 60 pm 的固定长度下从 0 增加到 60%(图 3C)。 同样,在 30% 的固定表面孔隙率下,随着硅纳米针的长度从 10 增加到 60 pm,剂量从 1.41 ± 0.16 增加到 13.88 ± 0.14 pg(图 3D)。 参考图13,药物分子,例如各种眼部药物分子中的任何一种,共价键合和/或物理键合到硅纳米针14。 如前所述,药物分子通过共价键结合到纳米针14的表面。此外,由于硅纳米针的表面具有纳米级孔隙(纳米孔26),因此药物分子也可以通过物理结合到纳米针上。 物理捕获在纳米孔26内。在本实施例中,可以调整和选择硅纳米针表面上的纳米孔26的孔密度(孔隙率)以精确控制药物剂量。 例如,更多的纳米孔26通常将具有更多的物理捕获在纳米孔内的药物分子。 然而,本发明的眼部药物递送装置10在没有纳米孔26存在的情况下也仍可操作,尽管这样的构造可能降低同样有效地控制药物剂量的能力。 [0044] 将药物溶液(例如 Bev)稀释到 1-20 pg-ml 的范围内 ¹ 使用无水(即大于或等于 99.9%)乙醇稀释剂,以避免在装载过程中溶解泪溶性隐形眼镜。 图 3E 显示没有显着 与未稀释的药物溶液相比,在 pH 值为 7.4 的乙醇稀释剂(蓝色条)和标准磷酸盐缓冲盐水 (PBS) 稀释剂的 5% v/v 溶液中稀释时 Bev 总量的差异 (黑条),根据单向方差分析 (ANOVA) 结果,***p < 0.001(每组 n = 5)。 此外,图 3F 中十二烷基硫酸钠聚丙烯酰胺凝胶电泳 (SDS-PAGE) 的结果表明,用乙醇稀释剂稀释的 Bev 的分子量(右侧四道)与未稀释的药物溶液(第二道)相当 从左起)在 150 kDa 处有一条清晰的条带。 反过来,乙醇稀释剂对 Bev 的体外稳定性没有显着影响。 [0045] 控制泪溶性隐形眼镜 12 在弯曲刚度(即弯曲刚度)和溶解速率方面的固有特性,以促进镜片验配过程中的易操作性和此后在泪液中的快速溶解。 图 4A 显示了在 37°C 下浸入 5 ml 模拟泪液中时泪溶性隐形眼镜的抗弯刚度(红线)和溶解时间(蓝线)与 4 至 80 的镜片厚度的函数关系 下午。 为了比较,测试了两种不同分子量的泪溶性隐形眼镜12,即31,000(三角形符号)和61,000(圆形符号)。 结果表明,泪溶性隐形眼镜的弯曲刚度降低到镜片厚度的立方,而溶解速率降低了 4 倍以上(即从 5.7 到 1.3 pm-sec' ¹ ) 随着分子量从 31,000 增加到 61,000。 图中绿色突出显示的区域表示使用分子量为 31,000 的 40 pm 厚的泪溶性隐形眼镜 12 根据经验确定的最佳条件,此时弯曲刚度(即大于 3.07xl0 ⁸ GPa-pm ⁴ ) 和溶出率(即 5.7 pm-sec' ¹) 足够大,不仅可以抵抗弯曲、折叠和扭曲,而且可以在模拟泪液存在的情况下在一分钟内溶解。 [0046] 硅纳米针14的降解速率是可调节的以能够在规定的时间段内控制眼部治疗药物的释放。 图 4B 显示了硅纳米针 14 的直径 (D/Do) 在两个月内逐渐减小,同时在 37 °C 下嵌入到含有 1 ml 模拟泪液的 1.4% w/v 琼脂糖凝胶中。 每天更新模拟泪液以保持内容物。 为了比较,硅纳米针 14 的表面孔隙率从 0%(蓝线)到 30%(红线)和 60%(绿线)变化,由此硅纳米针的降解从大约 3.5 线性加速 到大约 9.4 和大约 16.6 nm-day' ¹ , 分别。 此外,硅纳米针 14 的降解率大幅下降至约 0.05 nm-day' ¹ (紫线)通过薄(即约 3 nm 厚)无针孔层的共形钝化,例如氧化铝(Al2O3),使用原子层沉积(即孔隙率 = 30%)( 酒精性肝病)。 例如,与典型的可生物降解复合材料(例如 PLGA 和 MeHA)相比,AhCh 钝化的硅纳米针在泪液中表现出至少五个数量级的延长降解时间(即每天下午 24-120 点) ¹ ), 已用于眼部药物输送。 硅纳米针14在规定时间间隔降解时相应的SEM图像如图11所示。随着Al 2 O 3 钝化层在约50天完全降解后,硅纳米针14的降解速率逐渐恢复正常 (例如,大约 3.9-7.8 nm-day' ¹ ), 如图 12A 所示。 [0047] 图 4C 显示了 IgG 488 和 647 在 37 °C 下浸入 1 ml 模拟泪液中五天的释放曲​​线,每一种都物理和共价加载到泪溶性隐形眼镜(蓝线)中,并沿着 没有(红线)和有(紫线)Al2O3 钝化层的硅纳米针表面(即孔隙率 = 30%)。 显示 IgG 488 和 647 完全释放长达 55 天的相应结果显示在图 12B 中。 这些结果清楚地显示了双相释放曲线,其中超过 85% 的 IgG 488 在一分钟内从泪溶性隐形眼镜 12 中快速释放(即爆发释放),随后 IgG 647 从硅中延长释放 纳米针 14(即长期持续释放)。 随着 Al2O3 钝化层的存在,T50% 和 T80% 的平均溶解时间 (MDT) 或药物保留能力分别从 11 小时增加到 194 小时,从 96 小时增加到 814 小时。 反过来,与典型的可生物降解复合材料(例如 PLGA 和 MeHA)相比,AhCh 钝化硅纳米针 14 在泪液中表现出显着延长的 MDT(例如,T50% = 35-48 小时和 T80% = 75-120 小时),即 已被用于眼部给药。 [0048] 图 4D 显示了酶联免疫吸附测定 (ELISA) 的结果,该测定用于量化 Bev 在从硅纳米针 14(红色条)释放 12 小时和 120 小时时的生物活性,与新的新鲜药物溶液瓶(即, Bev) 作为对照(黑条)。 Bev 的生物活性在 120 小时的时间内保持在 99% 以上,与对照相比没有显着差异,***p < 0.001(每组 n = 3)。 这 结果(蓝色条)还表明,由于蛋白质(即 Bev)的氧化,在 4°C 的空气中储存三天后,生物活性降低了近 25%,这表明药物加载过程(例如, 图1B的步骤70)优选发生在硅纳米针14进入眼睛之前。 [0049]为了评估具有硅纳米针14的眼部药物递送装置10的治疗功效,在体内兔CNV模型中进行了研究。 CNV,或新血管侵入无血管角膜,在美国每年导致 140 万人视力丧失,并且是各种疾病的潜在后果,例如干眼症、隐形眼镜使用、角膜感染、手术、 外伤和角膜缘干细胞缺乏症 (LSCD)。 血管向角膜内生长也是角膜移植后排斥反应的主要危险因素,因此必须考虑对视觉有影响的 CNV 或角膜移植前的 CNV 治疗。 目前 CNV 的常规治疗包括使用激光光凝手术,但由于角膜表面的保护屏障、副作用和快速的鼻泪管引流,其疗效仍然有限。 为了满足这一关键需求,硅纳米针 14 在治疗 CNV 方面的效用得到了证明,它可以通过微创、无痛和长期持续递送眼部药物(即 Bev)来提高治疗效果,同时减少现有药物以外的副作用 金标准疗法。 由于兔眼与人眼的相似性,本次调查共使用了 24 只新西兰白兔(三到四个月大;2.2-3.1 千克),包括左眼和右眼。 动物程序如下。 [0050] 首先,在距离兔眼角膜缘约 1.5 毫米处,将 7-0 丝线缝合线穿过周边角膜。 CNV 在缝合后第 28 天发育良好。 然后拆下缝合线。 CNV 在拆线后第 7 天稳定。 接下来,通过使用棉签轻轻按压插入泪溶性隐形眼镜12,用硅纳米针14治疗兔眼。 此后,泪溶性隐形眼镜12在不到一分钟内溶解在泪液中。 滴几滴人工泪液清洗兔眼。 最后,使用彩色和无红色摄影以及定制的光学相干断层扫描 (OCT) 对兔眼进行了 28 天的监测。 为了比较,短(即 10 pm)和长(即 60 pm)硅纳米针在分别共价加载总共约 1.5 pg 和约 14 pg Bev 后进行了测试。 结果是 还与对照组进行了比较,包括 (1) 不含 Bev 的硅纳米针和 (2) 未经处理的兔眼。 [0051] 图 5A 显示了 CNV 在第 0 天(即治疗前)和第 1、3、7、14 和 28 天(即治疗期间)的代表性颜色、无红色、分割和重叠图像的时间序列。 疗法)使用 10 pm 长(左图)和 60 pm 长(右图)的硅纳米针,固定基部直径为 900 nm。 两组硅纳米针14在治疗CNV方面均显示出显着效果,且组间无显着差异。 从第 1 天到第 7 天,CNV 快速减少,随后持续、持续和持续减少,直至第 28 天。几乎完全去除 CNV 出现不晚于第 28 天。相比之下,对照组在整个过程中 CNV 没有减少 整个时期。 图 5B 总结了血管密度 (VD) 分析的结果,以量化 CNV 从第 0 天到第 28 天的动态变化。结果表明,归一化的 VD 减少了近一半(即,对于 10 pm 长的硅,47.8 ± 6.9% 含 Bev 的纳米针;第 5 天,含 Bev 的 60 pm 长硅纳米针为 57.2 ± 11.1%),随后持续、持久和持续减少至第 28 天(即 9.8 ± 2.5% 为 10 pm 长的硅 含 Bev 的纳米针;含 Bev 的 60 pm 长硅纳米针为 2.9 ± 2.0%)。 在对照组中,归一化 VD 随着时间的推移保持相对不变(即,不含 Bev 的 10 pm 长硅纳米针为 79.7 ± 7.7%;不含 Bev 的 60 pm 长硅纳米针为 77.8 ± 6.6%;以及 85.8 ± 0.9% 对于未处理组)。 [0052]图 5C 提供了在第 0 天(即,恰好在镜片适配之前和之后)和第 1、7、14 天、使用 60 pm 长的硅纳米针 14 进行治疗的兔眼的横截面 OCT 图像的时间序列。 和 28(即治疗中)。 在第 0 天,CNV 的位置(即纵向阴影)和泪溶性隐形眼镜 12 在 OCT 图像中清晰可见,分别用黄色虚线箭头和线注释。 由于纳米级尺寸(即基部直径为 900 nm),硅纳米针 14 在 OCT 图像中是不可见的。 与之前的观察一致,CNV 的快速减少发生在第 1 天到第 7 天,随后持续、持续和持续减少直至第 28 天。第 28 天的 OCT 图像显示角膜的正常结构,没有任何证据表明 角膜损伤,如出血和角膜混浊,以确认恢复情况。 使用面部表情或鬼脸量表的解释对兔子进行疼痛评估。 在对兔子的密切日常监测中,没有观察到不适的迹象,包括眼眶紧缩、脸颊扁平、鼻子的任何变化 形状、胡须位置和耳朵位置,根据既定的鬼脸量表。 耳朵大致垂直于头部,面向前方或侧面,保持直立位置,远离身体的背部和两侧,形状更张开,松散卷曲,表明没有疼痛。 此外,对兔的体重进行了 28 天的治疗评估。 没有观察到兔子体重的减轻。 [0053] 硅纳米针对人角膜细胞系的时间依赖性细胞毒性被认为揭示了细胞水平上的任何不良反应。 图 6A 显示了人角膜上皮细胞 (HCEpiCs) 的体外细胞活力测定,这些细胞使用 MTT (3-(4 ,5-二甲基噻唑-2-基)-2,5-二苯基四唑溴化物)测定试剂盒。 在细胞培养过程开始时,泪溶性隐形眼镜迅速溶解在 37 °C 的培养基中。 在整个测定期间,细胞活力保持在 99% 以上,各组之间没有显着差异(每组 n = 5),***p < 0.001。 反过来,硅纳米针和泪溶性隐形眼镜都被确定对角膜炎症发展的风险很小。 [0054] 图 6B 显示了在第 28 天使用 10 pm 长(上图)和 60 pm 长(下图)硅纳米针进行治疗时用苏木精-伊红 (H&E) 染色的兔角膜的横截面组织学视图 有(左图)和没有(右图)Bev 的存在。 所有组的角膜基质保持正常,没有显示任何角膜原纤维和胶原蛋白的解体。 此外,各组(每组 n = 3)的角膜上皮厚度没有显着差异,*** p < 0.001(图 6C)。 反过来,使用硅纳米针的眼部药物被确定对角膜毒性或其他不良反应的发展风险很小。 [0055] 图 6D 显示了在第 28 天使用 10 pm 长(上图)和 60 pm 长(下图)硅纳米针用 p63 细胞标记物染色的兔角膜缘的代表性免疫组织化学(H4C)结果 (左图)和没有(右图)Bev 的存在。 结果显示角膜缘保持正常。 p63 表达在各组之间保持几乎相同(每组 n = 3),没有统计学意义(图 6E)。 角膜内皮细胞的密度也保持相同 ***p < 0.001 的组(每组 n = 3)(图 6F)。 H&E 图像中没有出现角膜内皮细胞形态变化的迹象。 综上所述,使用硅纳米针的眼部药物被确定对角膜内皮细胞和角膜缘干细胞功能的毒性影响最小。 [0056]相比之下,目前的传统疗法,即激光光凝手术,也在使用 532 nm 脉冲持续时间 = 0.1 秒的连续波 (CW) 激光治疗 CNV 时实施; 功率 = 450 毫瓦; 和宽度 = 75 pm48。 激光光凝手术后立即(即不到一分钟)在角膜中发现许多光凝点。 在基质和角膜组织结构中也发现了圆形疤痕,以及多形核白细胞、炎性碎片和基质片层之间的新血管形成填充物。 术后第 30 天,角膜缘干细胞数量显着减少。 64.7% 的 CNV 在术后第 7 天恢复,而 21.4% 的 CNV 持续到术后第 30 天。 反过来,与使用具有硅纳米针14的眼部药物递送装置10的治疗相比,激光光凝手术导致CNV的完全消退较差,同时还对周围的角膜层造成损伤。 [0057] 导致本发明各方面的研究表明,眼部药物输送装置10提供了一种微创、无痛且有效的眼部药物输送方法。 与传统的生物可吸收微针相比,硅纳米针 14 的延长降解提供了治疗性眼部药物的更长期持续释放。 同时,泪溶性隐形眼镜 12 在镜片验配期间用作硅纳米针 14 的临时支架,然后在泪液中快速溶解。 完全去除泪溶性隐形眼镜12有助于在没有视觉障碍的情况下提高用户舒适度。 在兔子模型中对硅纳米针 14 的体内评估支持治疗慢性眼部疾病(如 CNV)的疗效,并且副作用比目前的常规疗法少。 因此,眼部药物输送装置10可用于临床实践并可推广用于治疗许多慢性眼部疾病或损伤,包括青光眼、白内障、干眼症和移植排斥反应。 [0058] 硅纳米针 14 在一些配置中可以提供以下特征中的任何一个或多个:(I) 足够的机械刚度(例如,E 等于或大于 112.4 GPa) 尖端尖锐,可微创穿透角膜屏障,同时将角膜基质混浊降至最低或不产生; (ii) 与用于无痛注射的典型微针相比,基部直径至少小 80 倍; (iii) 与用于长期持续药物输送的典型可生物降解复合材料(例如 PLGA、MeHA)相比,在泪液存在下至少延长五个数量级的降解; (iv) 纳米级可调节表面孔隙率,用于精确的药物剂量控制; (v) 沿表面共价结合治疗性眼部药物分子,对无泄漏药物装载具有强结合亲和力。 同时,泪溶性隐形眼镜可提供以下特征:(I)足够的机械刚度(例如,E = 4 GPa),便于镜片处理和装配; (ii) 使用医疗级水溶性聚合物如聚(乙烯醇)(PVA)与眼睛的生物相容性,以最大限度地减少副作用; (iii) 曲率(例如,基弧半径为 8.3-9.0 毫米)配置为适合各种角膜形状,以便无缝贴合到眼睛上; (iv) 快速溶解并用泪液完全冲洗掉,使用户感到舒适,不会影响视觉; (v) 药物储库,以实现抗炎药或其他眼部药物的初始爆发释放,以增强治疗效果。 [0059]虽然本发明已根据特定或特定实施例进行了描述,但显然本领域技术人员可以采用替代方案。 例如,眼部药物输送装置及其部件在外观和结构上可能与本文所述和图中所示的实施例不同,眼部药物输送装置的某些部件的功能可由不同结构的部件执行,但能够 相似(但不一定等同)的功能,可以修改温度和持续时间等工艺参数,并且可以用适当的材料代替那些注明的材料。 因此,应当理解,本发明不一定限于本文描述的任何实施例。 还应当理解,以上所使用的措辞和术语是为了描述所公开的实施例和研究的目的,而不一定作为对本发明范围的限制。