CN116570550A - 一种柔性基底-硬质多孔微针贴片及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性基底‑硬质多孔微针贴片及其制备方法与应用，属于医用材料制备技术领域。本发明制备的多孔微针贴片的基底和针体具有不同的材质，采用柔性可弯曲或可拉伸的多孔基底，相比于实心基底具有更加优异的吸液效率和储液量，其柔性特征能够适应皮肤的弯曲和变形，提高应用时的舒适度；同时硬质的多孔微针针体能够为穿透表皮提供足够的机械强度。利用在室温下的一步提拉过程结合溶剂析出的简单流程制备具有柔性多孔基底的多孔微针贴片，不仅能够快速实现不同尺寸和阵列的多孔微针制备，而且能够在任意材料的基底上快速制备大量多孔微针。
Description
技术领域
本发明属于医用材料制备技术领域，具体涉及到一种柔性基底-硬质多孔微针贴片及其制备方法与应用。
背景技术
监测生物标志物对于了解健康状况和疾病早期诊断十分重要。间质液中有着丰富的生物信息，可以看作是血浆的超滤液，很多小分子和离子的浓度与血液中相似，间质液的提取能够避免传统血液采样所带来的不适以及潜在的感染风险。因此采样和检测间质液中的生物标志物对于微创观测患者的健康状况具有非常重要的意义。微针是由高度为25至2000微米的三维微型阵列结构组成的一种微米级结构。微针最初主要用于药物和疫苗的经皮递送，最近在间质液的提取和生物标志物的检测方面显示出了巨大的潜力。微针尖端通常比皮下注射针锋利得多，这种几何设计使得能够有效地穿透角质层并形成微尺度间质液提取通道，而不接触血管、神经纤维或其末端，极大程度地降低采集疼痛感。
其中，多孔聚合物微针采用具有生物相容性和生物可降解性的材料，能够利用多孔结构的毛细作用主动吸取间质液，无需负压。目前，多孔聚合物微针的制备主要是通过模板结合各种后处理工艺制成。模板法的步骤包括主模具制备、阴模制备、溶液浇铸和固化脱模。其中热压是一种较为简单的多孔微针制备技术。
专利CN 108404286 A利用聚合物材料的热压成型过程制备出梯度多孔微针，然而由于加热不均造成大多数孔处于微针的尖端，微针底部的孔隙分布较少，这种方法所制备的多孔微针不利于间质液的提取。致孔剂浸出和相分离工艺结合了传统的模板法制备流程，利用致孔剂去除或者溶剂析出在微针内部形成多孔。
专利CN 110115707 A将带有聚合物溶液的模具直接置于不良溶剂中诱导溶剂析出来制备多孔微针，然而这种方法不仅保留了模板法固有的局限性，而且需要考虑模具所用材料聚二甲基硅氧烷在溶剂和不良溶剂中的溶解性问题。基于模板的多孔微针制备方法虽然可以实现较高精度微针的制备，但其所需成本较高，工艺流程复杂，耗费时间较长。在模板法中，脱模过程也可能导致微针破损、针尖变钝等技术问题，从而降低微针贴片加工的良率。此外，如果制备不同形状、尺寸、阵列的微针贴片，则需要重新制造相应的微针模具，无法实现微针的个性化制备。
三维打印技术是通过挤出、烧结或光聚合的方式逐点或逐层堆叠制造三维结构，可以轻松灵活地实现精细结构和个性化形状的定制。由于多孔结构的复杂性，三维打印制备多孔微针需要很高的精度要求，专利CN 114456334 A利用常规的双光子打印机，通过开发新的光引发剂实现了阵列多孔式微针的制备。然而这种方法所需加工时间长，存在残留的光引发剂的毒性问题，并且所用的打印材料仅限于光固化材料。目前应用于微针制造的各种三维打印技术很难兼顾精度和效率，后处理涉及到冷冻、高温或者外加磁场，不仅增加了操作难度，而且可能对微针材料产生影响。
实心结构的微针基底大大减少了贴片的吸液能力，仅依靠多孔微针针体的孔通道无法提取到足够的待测体液。多孔基底大部分是硬质的，不利于贴片和皮肤表面的良好贴合，影响了吸液效率，使用模板法直接相分离制备的多孔微针贴片，其基底一般是硬质的，很难具有柔性。专利CN 113440474 B制备了具有一定柔韧性的多孔微针贴片，由于针体和基底的材料相同，虽然可以提高与皮肤的贴合度，但是微针的机械强度不足以穿透皮肤。
发明内容
本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。
鉴于上述和/或现有技术中存在的问题，提出了本发明。
因此，本发明的目的是，克服现有技术中的不足，提供一种柔性基底-硬质多孔微针贴片的制备方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种柔性基底-硬质多孔微针贴片的制备方法，其特征在于：包括，
制备微针浆料：将醋酸纤维素溶于二甲基亚砜中制得聚合物溶液，在聚合物溶液中加入气相二氧化硅颗粒，搅拌直至二氧化硅颗粒均匀分散，得到微针浆料；
打印微针结构：将配制好的微针浆料通过自动点胶机在柔性基底上打印微针结构；
多孔微针贴片的制备：将加工好的微针结构浸泡在水中，干燥后，制得多孔微针贴片。
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述柔性基底为改性滤纸或亲水苯乙烯热塑性弹性体。
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述改性滤纸，其制备方法包括，
将质量分数为15~20%的醋酸纤维素的二甲基亚砜溶液在滤纸表面以1000~1500rpm的转速旋涂3~5分钟后，浸泡在水中20~30分钟，取出自然干燥，得到所述改性滤纸。
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述亲水苯乙烯热塑性弹性体，其制备方法包括，
配质量分数为15~18%的苯乙烯热塑性弹性体的甲苯溶液；
将配制的苯乙烯热塑性弹性体的甲苯溶液与水杨酸颗粒以1：3的质量比混合，通过球磨3小时让两者充分混合，得到浆料；
将混合好的浆料用刮涂机刮膜后，自然干燥成膜，用乙醇清洗掉膜中的水杨酸颗粒，得到苯乙烯热塑性弹性体多孔膜；
将苯乙烯热塑性弹性体多孔膜等离子体处理5分钟，得到亲水苯乙烯热塑性弹性体。
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述微针浆料中的醋酸纤维素的质量分数为15~30%。
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述制微针浆料中气相二氧化硅颗粒的质量分数为16~28%。
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述打印微针结构，其中，自动点胶机上的针管的容积为10mL，针头的内径为0.3mm。
作为本发明所述制备方法的一种优选方案，其中：所述打印微针结构，其中，设置气压为400～600kPa，打印速度5～10mm/s，距离为200～400微米。
本发明的再一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种柔性基底-硬质多孔微针贴片。
本发明的再一个目的是，克服现有技术中的不足，提供一种微针贴片在采集生物体间质液或进行透皮给药中的应用。
本发明有益效果：
（1）本发明制备的多孔微针贴片的基底和针体具有不同的材质，高度多孔的柔性可弯曲或可拉伸的基底具有毛细作用，能够自发吸收液体，不仅为多孔微针贴片提供了更多的吸液储液量，而且其柔性特征能够更好的与皮肤表面贴合，使更多的微针扎入皮肤；同时硬质多孔微针有利于增强针体的力学强度，从而提高穿透表皮角质层的能力；本发明具有高精度尖端的硬质多孔微针结合柔性基底能够很大程度避免微针贴片在皮肤内的不完全扎入。
（2）本发明采用具有生物相容性的聚合物材料，利用简单的一步垂直挤出提拉过程形成具有自持性和尖锐尖端的微针结构，通过将微针针体中的溶剂析出这种简单温和的成孔技术快速形成多孔微针，任何的柔性多孔材料经过简单的改性处理都能够作为微针基底，大大缩短了多孔聚合物微针的制备流程和时间，允许无模板快速制造大量多孔微针，从而无需脱模，能够简化流程，提升良率；本发明通过简单的参数调整可以快速实现不同尺寸和阵列的柔性多孔微针贴片的制备，以此适应实际的皮肤层需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：
图1为本发明实施例1中改性滤纸基底的光学显微照片。
图2为本发明实施例1中刚打印完的微针贴片图。
图3为本发明实施例1中所制备的多孔微针贴片图。
图4为本发明实施例1中所制备的多孔微针贴片柔性展示图。
图5为本发明实施例1中所制备的多孔微针横截面的扫描电镜图。
图6为本发明实施例3中刚打印完的微针形状图。
图7为本发明实施例3中所制备的多孔微针形状图。
图8为本发明实施例3中所制备的多孔微针贴片的拉伸照片。
图9为本发明实施例4中多孔微针贴片去除后罗丹明B渗透进猪皮的光学图像。
图10为本发明实施例5中多孔微针贴片从琼脂糖水凝胶中提取液体量随时间的变化图。
图11为对比例1中多孔聚合物微针在10分钟时的吸液量图
图12为对比例2中微针贴片吸液量随时间的变化图。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书实施例对本发明的具体实施方式做详细的说明。
在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
其次，此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本发明至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本说明书中不同地方出现的“在一个实施例中”并非均指同一个实施例，也不是单独的或选择性的与其他实施例互相排斥的实施例。
本发明提供了一种柔性基底上的硬质多孔聚合物微针贴片的制备方法及其应用，多孔聚合物微针贴片采用了柔性多孔基底和硬质的多孔微针针体，不仅具有足够的机械强度，而且能够与皮肤保持良好的贴合，利用基底的多孔结构大大提高了贴片的整体吸液量和吸液效率。通过简单的一步提拉过程加工微针结构以及温和的溶剂析出过程实现快速且个性化的多孔微针贴片的制备。当微针贴片浸入与溶剂混溶的非溶剂中时，凝固浴中发生分层，聚合物微针的热力学平衡开始被扰乱，将单相转变为由富聚合物相和贫聚合物相组成的两相，最终形成孔隙。利用这种微针加工流程能够根据实际需求来快速制备不同尺寸和阵列的微针贴片，从而实现多孔微针的个性化定制。
其中，微针贴片基底的长宽厚度选为10mm*10mm*0.2mm(微针基底的长宽厚参数可调)，微针阵列的直径选为300～500微米、高度选为600～1000微米、间距选为600或1000微米(微针阵列的参数也可调)。使用所述制备的多孔聚合物微针贴片扎入离体皮肤组织，微针可以有效刺入皮肤，而不会发生折断；利用琼脂糖水凝胶测定多孔微针贴片随时间的吸液量变化。
其中，本发明苯乙烯热塑性弹性体采用市售SEBS G1652，101快速定性滤纸也可市售购得。
实施例1
1)制备改性滤纸基底：使用101快速定性滤纸作为基底的原料。为了增强滤纸和浆料之间的结合强度，使用质量分数为20%的醋酸纤维素的二甲基亚砜溶液在滤纸表面以1500rpm的转速旋涂3分钟，将上述滤纸浸泡在水中保持30分钟，取出自然干燥后得到用于打印微针的改性滤纸基底，如图1所示。
2）制备微针浆料：将醋酸纤维素溶于二甲基亚砜中，磁力搅拌六个小时形成均匀的溶液，其中醋酸纤维素的质量分数为20%；在上述聚合物溶液中加入质量分数为28%的气相二氧化硅颗粒作为流变调节剂，在行星搅拌机中以1000rpm的转速旋转10分钟直至二氧化硅颗粒均匀分散得到打印浆料。
3)打印微针结构：将配制好的浆料装入针管(10mL)中，并安装内径为0.3mm的不锈钢点胶针头，用活塞将浆料推到针管底部，最后将针管安装在自动点胶机上；导入阵列参数为10*10，设置气压为500kPa，打印速度10mm/s，距离为300微米，在改性滤纸基底上打印微针结构，如图2所示。
4)多孔微针贴片的制备：将上述加工好的微针结构浸泡在水中，保持2小时后取出换水，重复该步骤3次，自然干燥一晚最终形成多孔微针，如图3所示。
其中，多孔微针的高度为600微米，底部直径为400微米，相邻微针间距为600微米；多孔微针由于微孔的光散射而呈现不透明的白色；多孔微针贴片的柔性展示如图4所示；多孔微针横截面的扫描电镜图如图5所示。
实施例2
1)制备改性滤纸基底：使用101快速定性滤纸作为基底的原料。为了增强滤纸和浆料之间的结合强度，使用质量分数为20%的醋酸纤维素的二甲基亚砜溶液在滤纸表面以1500rpm的转速旋涂3分钟，将上述滤纸浸泡在水中保持30分钟，取出自然干燥后得到用于打印微针的改性滤纸基底。
2）制备微针浆料：将醋酸纤维素溶于二甲基亚砜中，磁力搅拌六个小时形成均匀的溶液，其中醋酸纤维素的质量分数为20%；在上述聚合物溶液中加入质量分数为28%的气相二氧化硅颗粒作为流变调节剂，在行星搅拌机中以1000rpm的转速旋转10分钟直至二氧化硅颗粒均匀分散得到打印浆料。
3)打印微针结构：将配制好的浆料装入针管(10mL)中，并安装内径为0.3mm的不锈钢点胶针头，用活塞将浆料推到针管底部，最后将针管安装在自动点胶机上；导入阵列参数为6*6，设置气压为600kPa，打印速度5mm/s，距离为400微米，在改性滤纸基底上打印微针结构。
4)多孔微针贴片的制备：将上述加工好的微针结构浸泡在水中，保持2小时后取出换水，重复该步骤3次，80℃干燥30分钟最终形成多孔微针。
其中，多孔微针的高度为800微米，底部直径为500微米，相邻微针间距为1000微米。
实施例3
1)制备改性SEBS基底：配质量分数为18%的苯乙烯热塑性弹性体(SEBS)的甲苯溶液，将配制的SEBS甲苯溶液与水杨酸颗粒以1：3的质量比混合，通过球磨3小时让两者充分混合，将混合好的浆料用刮涂机刮膜。然后自然干燥成膜，用乙醇充分清洗直至完全洗掉膜中的水杨酸颗粒，得到SEBS多孔膜。将所述SEBS多孔膜等离子体处理5分钟得到亲水SEBS基底。
在亲水SEBS基底表面刮涂质量分数为20%的醋酸纤维素的二甲基亚砜溶液，将上述SEBS基底浸泡在水中保持30分钟，取出自然干燥后得到用于打印微针的改性SEBS基底。
2)制备微针浆料：将醋酸纤维素溶于二甲基亚砜中，磁力搅拌六个小时形成均匀的溶液，其中醋酸纤维素的质量分数为20%；在上述聚合物溶液中加入质量分数为28%的气相二氧化硅颗粒作为流变调节剂，在行星搅拌机中以1000rpm的转速旋转10分钟直至二氧化硅颗粒均匀分散得到打印浆料。
3)打印微针结构：将配制好的浆料装入针管(10mL)中，并安装内径为0.3mm的不锈钢点胶针头，用活塞将浆料推到针管底部，最后将针管安装在自动点胶机上；导入阵列参数5*5，设置气压为600kPa，打印速度5mm/s，距离为400微米，在改性SEBS基底上打印微针结构，如图6所示。
4)多孔微针贴片的制备：将上述打印好的微针浸泡在水中，保持2小时后取出换水，重复该步骤3次，80℃干燥30分钟最终形成多孔微针，如图7所示。
其中，多孔微针的高度为800微米，底部直径为500微米，相邻微针间距为1000微米。如图8所示，多孔微针贴片能够承受100%以上的拉伸应变，并且在拉伸过程中微针不会掉落。
实施例4
使用实施例2的方法制备得到多孔微针贴片，将多孔微针的尖端用罗丹明B染液预染色，即将多孔微针贴片在罗丹明B（1mg/mL）溶液中浸泡5分钟，然后将多孔微针贴片用拇指力***到离体猪皮中，保持3分钟后取出。
如图9所示，尖端的罗丹明B染料沉积在猪皮上形成的孔洞中，说明微针能够有效穿透猪皮，且皮肤穿透效率可以达到100%。
实施例5
在琼脂糖水凝胶（1.5wt%）上覆盖一层保鲜膜，通过施加拇指力分别将实施例1-3中所制备的微针贴片***水凝胶中，分别记录贴片的初始质量和时间点为1、3、5、10、20和40分钟的质量，以计算出在各个时间点的吸液质量。
结果分别如图10所示，三种多孔微针贴片呈现出相似的吸液趋势，在前5分钟贴片的吸液量急剧增加，并在约10分钟后达到近饱和状态。
对比例1
将PLA、PLA@PDA@PEG聚合物、PVDF、PSF溶液浇铸到PDMS模具中，将带有聚合物溶液的阴模浸入水中，以引起聚合物和溶剂之间的相分离。最后，将固化的聚合物微针从PDMS模具上剥离，通过冷冻干燥工艺获得最终的多孔聚合物微针。
在10分钟时吸液量如图11所示。
对比例2
对比例2与对比例1的区别为聚合物溶液采用PVA，其余条件相同。
随时间的吸液量如图12所示。
对比例1与2为现有技术中一体化制备微针贴片的方法，其10分钟吸液量分别为0.2mg~1.2mg；3.8±0.2mg。可见我方发明提供的微针贴片与现有的多孔微针贴片相比具有更加优异的吸液能力。
对比例3
对比例3与实施例3的区别为，苯乙烯热塑性弹性体在甲苯溶液中的质量分数为12%，15%，18%，20%，其他制备条件相同。
10分钟吸液量如下表所示：
苯乙烯热塑性弹性体的质量分数提高会提高产品最终的吸液量，但浓度继续提高后苯乙烯热塑性弹性体基底的厚度增加，明显影响了使用效果。
对比例4
对比例4与实施例3的区别为，SEBS甲苯溶液与水杨酸颗粒的质量比为1：2.5，1：3，1：4 ，1：5，其他制备条件相同。
10分钟吸液量如下表所示：
水杨酸颗粒比例越大，孔隙率越大，所承载得液体量越多，但水杨酸质量的提高同样会导致基底越发柔软，导致穿刺效果变差，无法正常使用。
对比例5
对比例5与实施例3的区别为，在亲水SEBS基底表面刮涂质量分数为10%、15%、25%、30%的醋酸纤维素的二甲基亚砜溶液，其余制备条件相同。
在质量分数为10%时，无法在亲水SEBS基底表面覆膜，结合强度过低，无法使用；
在质量分数为15%时，成功在亲水SEBS基底表面覆膜，但使用过程中针体掉落，结合强度不高；
在质量分数为25%时，成功在亲水SEBS基底表面覆膜，但影响了部分基底微孔，导致吸液量下降；
在质量分数为30%时，成功在亲水SEBS基底表面覆膜，但堵塞了基底微孔，导致吸液量急剧下降，缺乏实用性。
对比例6
对比例6与实施例3的区别为，在微针浆料中醋酸纤维素与二氧化硅颗粒的质量分数不同，其余制备条件相同。
当醋酸纤维素的质量分数为10%时，设定二氧化硅颗粒的质量分数为20、40%，当二氧化硅颗粒的质量分数为40%，多孔微针的孔隙率下降，影响最终产品的吸液量；当二氧化硅颗粒的质量分数为20%时，溶液粘度不够，微针无法定型。
当醋酸纤维素的质量分数为30%时，设定二氧化硅颗粒的质量分数为10、20%、40%，当二氧化硅颗粒的质量分数为40%，粘度过大，几乎没有孔隙，吸液量下降明显，当二氧化硅颗粒的质量分数为20%时，粘度适中，微针可定型，但孔隙率仍然较低，当二氧化硅颗粒的质量分数为10%时，粘度较低，微针无法定型；
故我方发明在微针浆料中选择质量分数20%的醋酸纤维素与质量分数为28%的气相二氧化硅颗粒，在此条件下能实现微针强度与微针孔隙率的最佳配比，同时可以保证微针定型。
实施例1和实施例2中使用相同的柔性纸基底，改变了微针的尺寸，当微针尺寸增大后，前五分钟的吸液速率明显提高，但由于基底大面积的多孔结构，基底决定了最终的饱和吸液量，两者的饱和吸液量相近。
实施例2和实施例3中微针结构相同，前五分钟的吸液速率大致相同，急剧增加，在5分钟内可以提取约9mg的液体；但其基底不同，基底分别是纸基底和SEBS多孔基底，由于纸纤维与水的强亲和力以及高度的多孔结构，纸基底能够储存更多的液体，但SEBS多孔膜弹性与韧性更好，所以SEBS多孔膜作为基底时虽饱和吸液量相对略少，但应用范围更广。
应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种柔性基底-硬质多孔微针贴片的制备方法，其特征在于：包括，
制备微针浆料：将醋酸纤维素溶于二甲基亚砜中制得聚合物溶液，在聚合物溶液中加入气相二氧化硅颗粒，搅拌直至二氧化硅颗粒均匀分散，得到微针浆料；
打印微针结构：将配制好的微针浆料通过自动点胶机在柔性基底上打印微针结构；
多孔微针贴片的制备：将加工好的微针结构浸泡在水中，干燥后，制得多孔微针贴片。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述柔性基底为改性滤纸或亲水苯乙烯热塑性弹性体。
3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述改性滤纸，其制备方法包括，
将质量分数为15~20%的醋酸纤维素的二甲基亚砜溶液在滤纸表面以1000~1500rpm的转速旋涂3~5分钟后，浸泡在水中20~30分钟，取出自然干燥，得到所述改性滤纸。
4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于：所述亲水苯乙烯热塑性弹性体，其制备方法包括，
配质量分数为15~18%的苯乙烯热塑性弹性体的甲苯溶液；
将配制的苯乙烯热塑性弹性体的甲苯溶液与水杨酸颗粒以1：3的质量比混合，通过球磨3小时让两者充分混合，得到浆料；
将混合好的浆料用刮涂机刮膜后，自然干燥成膜，用乙醇清洗掉膜中的水杨酸颗粒，得到苯乙烯热塑性弹性体多孔膜；
将苯乙烯热塑性弹性体多孔膜等离子体处理5分钟，得到亲水苯乙烯热塑性弹性体。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述微针浆料中的醋酸纤维素的质量分数为15~30%。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述微针浆料中气相二氧化硅颗粒的质量分数为16~28%。
7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述打印微针结构，其中，自动点胶机上的针管的容积为10mL，针头的内径为0.3mm。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述打印微针结构，其中，设置气压为400～600kPa，打印速度5～10mm/s，距离为200～400微米。
9.权利要求1~8中任一所述制备方法制得的柔性基底-硬质多孔微针贴片。
10.权利要求9所述的多孔微针贴片在采集生物体间质液或进行透皮给药中的应用。
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| CN202310511238.XA CN116570550A (zh) | 2023-05-09 | 2023-05-09 | 一种柔性基底-硬质多孔微针贴片及其制备方法与应用 |
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