在個性化醫(yī)療的需求中，便捷安全的微針給藥技術(shù)在近些年快速發(fā)展，其能夠極大地提升醫(yī)療體驗，降低成本，已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于實踐中。而不同場景往往需要不同的給藥配置，特別是對于急性疾病，快速響應(yīng)的給藥具有重要意義，這也對傳統(tǒng)基于溶解釋放等被動式微針提出了挑戰(zhàn)。

近日，廈門大學(xué)陳鷺劍教授與胡學(xué)佳助理教授提出了一種新型的主動藥物遞送機制，研究團隊在聲學(xué)與微結(jié)構(gòu)相互作用機理研究的基礎(chǔ)上，提出利用鋯鈦酸鉛（PZT）在微針針尖誘導(dǎo)渦流，產(chǎn)生微泵效應(yīng)，并通過貼片的集成設(shè)計，實現(xiàn)智能的按需藥物釋放。相關(guān)研究以“On-demand transdermal drug delivery platform based on wearable acoustic microneedle array”為題發(fā)表在Chemical Engineering Journal期刊上。

該研究提出的智能的聲響應(yīng)藥物釋放微針如圖1所示，該可穿戴器件包括一個PZT驅(qū)動電路，PZT貼片和空心微針，并通過藍(lán)牙與手機交互，通過預(yù)先設(shè)定程序或者實時調(diào)控，能夠控制PZT產(chǎn)生聲波信號，并驅(qū)動特殊設(shè)計的針尖尖端產(chǎn)生高頻振動。這種振動在針尖產(chǎn)生了能量耗散并制造渦流效應(yīng)，其能夠?qū)⑨槂?nèi)藥物主動向外泵送。

而通過程序控制的聲波信號強度與持續(xù)時間調(diào)制，能夠?qū)崿F(xiàn)較為精準(zhǔn)的藥物遞送。如圖2所示，該空心微針陣列由10 × 10個微針單元組成，利用3D打印工藝制造，每個單元高1000微米。掃描電子顯微鏡（SEM）圖表明，打印的器件具有較高的精度，保證了針尖的銳度以及均一性（圖2a），從而使得針尖可在聲學(xué)驅(qū)動下產(chǎn)生較強的渦流效應(yīng)。此外，對該打印的微針的性能測試也表明，該光敏樹脂材料具有較高的強度，從而可以保證良好的刺入性能，且能避免體內(nèi)折斷風(fēng)險。

圖1 聲學(xué)響應(yīng)智能微針示意圖

圖2 3D打印的空心微針陣列：（a）微針陣列SEM圖；（b）微針力學(xué)性能測試示意圖；（c-d）微針單個針尖力學(xué)測試數(shù)據(jù)及對應(yīng)微針形變圖

隨后，該研究通過有限元模擬以及染料模擬實驗論證了該針尖渦流的微泵效應(yīng)，模擬結(jié)果中箭頭展示了流場分布，顏色圖繪制了聲場能量梯度，實驗中聲學(xué)信號設(shè)置為34 KHz，幅度為40 Vpp，實驗與模擬結(jié)果能較好吻合。而為了更好地模擬在皮下的泵送效果，在圖3h中，研究人員使用組織模擬凝膠驗證藥物注入效果，當(dāng)聲信號幅度設(shè)置在40 Vpp左右時，可以看到熒光藥物能夠快速在凝膠中釋放并累積。

圖3 聲學(xué)響應(yīng)的微針渦流效應(yīng)模擬與實驗結(jié)果：

（a-c）有限元模擬針尖渦流微泵效應(yīng)，在34 Khz聲波激勵下，針尖結(jié)構(gòu)附近產(chǎn)生兩個渦流區(qū)域，并產(chǎn)生自內(nèi)向外的相反渦流場，引導(dǎo)內(nèi)部流體向外抽注；

（d-e）使用模擬藥物驗證聲學(xué)激勵的渦流與泵送效應(yīng)；

（h）在凝膠中驗證微針泵送能力 最后，研究團隊論證了該器件應(yīng)用于小鼠進行主動藥物遞送的潛力。微針中裝載10%熒光素鈉，通過預(yù)先設(shè)定的程序釋放，并實時進行眼底熒光成像。熒光素鈉作為眼底熒光素血管造影技術(shù)中常用的藥物，當(dāng)循環(huán)至眼底血管中時，能夠發(fā)出被觀察到的熒光，從而通過記錄眼底熒光強度方便實時計算反應(yīng)體內(nèi)的藥物濃度。圖4a ~ 4c展示了該微針貼片在聲信號下作用的熱效應(yīng)以及撤去微針后皮膚的恢復(fù)情況。而圖4d ~ 4f則展示了在主動聲波信號施加后眼底熒光的變化。研究結(jié)果表明，通過控制聲波信號的時間與強度，能夠較為精準(zhǔn)的控制藥物釋放的時間以及藥物注射量，從而滿足不同的給藥需求。

圖4 （a）小鼠體內(nèi)的聲學(xué)主動藥物遞送；（b）微針貼片區(qū)域在聲場信號施加情況下溫度變化；（c）小鼠腹部微針針孔隨著時間推移快速愈合；（d）使用微針注入熒光素鈉藥物，并記錄的小鼠眼底熒光圖；（e-f）基于微針的單次與多次藥物注入情況下，眼底熒光隨時間變化

綜上所述，該智能微針通過聲波耦合驅(qū)動技術(shù)，提供了一種精準(zhǔn)而有效的藥物遞送策略，聲波相比于其他響應(yīng)技術(shù)具有易于集成、低成本且生物親和的優(yōu)勢，方便進行可穿戴設(shè)計和智能化控制。此外針尖的聲波空化以及聲熱效應(yīng)具有促進藥物在組織內(nèi)吸收的潛力。這些獨特優(yōu)勢也讓該技術(shù)在個性化醫(yī)療場景下展現(xiàn)出較大的應(yīng)用前景。

審核編輯：劉清