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厦大陈鹭剑与胡学佳《CEJ》:基于3D打印的声响应微针用于智能药物递送

更新时间:2023-11-13      点击次数:330

在个性化医疗的需求中,便捷安全的微针给药技术在近些年快速发展,其能够极大提升医疗体验,降低成本,已经被广泛应用实践。而不同场景往往需要不同的给药配置,特别是对于急性疾病,快速响应的给药具有重要意义,这也对传统基于溶解释放等被动式微针提出了挑战。

近日厦门大学陈鹭剑教授与胡学佳助理教授提出一种新型的主动药物递送机制,团队在声学与微结构相互作用机理研究基础上,提出利用PZT在微针针尖诱导涡流,产生微泵效应,并通过贴片的集成设计,实现智能的按需药物释放。相关研究以题为:“On-demand transdermal drug delivery platform based on wearable acoustic microneedle array"发表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。

该研究提出的智能的声响应药物释放微针如图1所示,该可穿戴器件包括一个PZT驱动电路,PZT贴片和空心微针,并通过蓝牙与手机交互,通过预先设定程序或者实时调控,能够控制PZT产生声波信号,并驱动特殊设计的针尖顶部产生高频振动。这种振动在针尖产生了能量耗散并制造涡流效应,其能够将针内药物主动向外泵送。而通过程序控制的声波信号强度与持续时间调制,能够实现较为精准的药物递送。其中如图2所示,该空心微针使用了摩方精密公司的nanoArch®S130高精度3D打印机制造,该阵列由10×10个微针单元组成,每个单元高1000微米。SEM图表明,打印的器件具有较高的精度,保证了针尖的锐度以及均一性(图2a),从而针尖可在声学驱动下产生较强涡流效应。此外,对该打印的微针的性能测试也表明,该光敏树脂材料具有较高的强度,从而保证良好的刺入性能,且能避免体内折断风险。



图1.声学响应智能微针示意图。




图2. 3D打印的空心微针阵列。(a)微针阵列SEM图。(b)微针力学性能测试示意图。(c-d)微针单个针尖力学测试数据,及对应微针形变图。



在图3中展示了通过有限元模拟以及染料模拟实验论证该针尖涡流的微泵效应,模拟结果中箭头展示了流场分布,颜色图绘制了声场能量梯度,实验中声学信号设置为34KHz,幅度为40Vpp, 实验与模拟结果能较好吻合。而为了更好模拟在皮下的泵送效果,在图3h中,研究人员使用组织模拟凝胶验证药物注入效果,当声信号幅度设置在40Vpp左右时,可以看到荧光药物能够快速在凝胶中释放并累积。



图3.声学响应的微针涡流效应模拟与实验结果。(a-c)有限元模拟针尖涡流微泵效应,在34Khz声波激励下,针尖结构附近产生两个涡流区域,并产生自内向外的相反涡流场,引导内部流体向外抽注。(d-e)使用模拟药物验证声学激励的涡流与泵送效应。(h)在凝胶中验证微针泵送能力。



最后,研究团队论证了该器件应用于小鼠进行主动药物递送的潜力,微针中装载10%荧光素钠,通过预先设定的程序释放,并实时进行眼底荧光成像。荧光素钠作为眼底荧光素血管造影技术中常用的药物,当循环至眼底血管中时,能够发出被观察到的荧光,从而通过记录眼底荧光强度方便实时计算反应体内药物浓度。在图4a-c中展示了该微针贴片在声信号下作用的热效应以及撤去微针后皮肤的恢复情况。而在图4d-f则展示了在主动声波信号施加后眼底荧光变化,通过控制声波信号的时间与强度,能够较为精准的控制药物释放的时间以及药物注射量,从而满足不同的给药需求。



图4.(a)小鼠体内的声学主动药物递送。(b)微针贴片区域在声场信号施加情况下温度变化。(c)小鼠腹部微针针孔随着时间推移快速愈合。(d)使用微针注入荧光素钠药物,并记录的小鼠眼底荧光图。(e-f)基于微针的单次与多次药物注入情况下,眼底荧光随时间变化,其中I.P.组为手动皮下注射组。



该智能微针通过声波耦合驱动技术,提供一种精准而有效的药物递送策略,声波相比于其他响应技术具有易于集成、低成本且生物亲和的优势,方便进行可穿戴设计和智能化控制。此外针尖的声波空化以及声热效应具有促进药物在组织内吸收的潜力。这些优势也让该技术在个性化医疗场景下展现出较大的应用前景。


论文信息:

Qian Wu, Chen Pan, Puhuan Shi, Lei Zou, Shiya Huang, Ningning Zhang, Sen-Sen Li, Qian Chen, Yi Yang, Lu-Jian Chen, * Xuejia Hu*. On-demand transdermal drug delivery platform based on wearable acoustic microneedle array. Chemical Engineering Journal. 2023, 477,147124.

备注:已获得转载版权