在個(gè)性化醫療的需求中，便捷安全的微針給藥技術(shù)在近些年快速發(fā)展，其能夠極大提升醫療體驗，降低成本，已經(jīng)被廣泛應用實(shí)踐。而不同場(chǎng)景往往需要不同的給藥配置，特別是對于急性疾病，快速響應的給藥具有重要意義，這也對傳統基于溶解釋放等被動(dòng)式微針提出了挑戰。

近日廈門(mén)大學(xué)陳鷺劍教授與胡學(xué)佳助理教授提出一種新型的主動(dòng)藥物遞送機制，團隊在聲學(xué)與微結構相互作用機理研究基礎上，提出利用PZT在微針針尖誘導渦流，產(chǎn)生微泵效應，并通過(guò)貼片的集成設計，實(shí)現智能的按需藥物釋放。相關(guān)研究以題為：“On-demand transdermal drug delivery platform based on wearable acoustic microneedle array"發(fā)表在《Chemical Engineering Journal》期刊上。

該研究提出的智能的聲響應藥物釋放微針如圖1所示，該可穿戴器件包括一個(gè)PZT驅動(dòng)電路，PZT貼片和空心微針，并通過(guò)藍牙與手機交互，通過(guò)預先設定程序或者實(shí)時(shí)調控，能夠控制PZT產(chǎn)生聲波信號，并驅動(dòng)特殊設計的針尖頂部產(chǎn)生高頻振動(dòng)。這種振動(dòng)在針尖產(chǎn)生了能量耗散并制造渦流效應，其能夠將針內藥物主動(dòng)向外泵送。而通過(guò)程序控制的聲波信號強度與持續時(shí)間調制，能夠實(shí)現較為精準的藥物遞送。其中如圖2所示，該空心微針使用了摩方精密公司的nanoArch®S130高精度3D打印機制造，該陣列由10×10個(gè)微針單元組成，每個(gè)單元高1000微米。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），從而針尖可在聲學(xué)驅動(dòng)下產(chǎn)生較強渦流效應。此外，對該打印的微針的性能測試也表明，該光敏樹(shù)脂材料具有較高的強度，從而保證良好的刺入性能，且能避免體內折斷風(fēng)險。

在圖3中展示了通過(guò)有限元模擬以及染料模擬實(shí)驗論證該針尖渦流的微泵效應，模擬結果中箭頭展示了流場(chǎng)分布，顏色圖繪制了聲場(chǎng)能量梯度，實(shí)驗中聲學(xué)信號設置為34KHz，幅度為40Vpp， 實(shí)驗與模擬結果能較好吻合。而為了更好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，當聲信號幅度設置在40Vpp左右時(shí)，可以看到熒光藥物能夠快速在凝膠中釋放并累積。

最后，研究團隊論證了該器件應用于小鼠進(jìn)行主動(dòng)藥物遞送的潛力，微針中裝載10%熒光素鈉，通過(guò)預先設定的程序釋放，并實(shí)時(shí)進(jìn)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，當循環(huán)至眼底血管中時(shí)，能夠發(fā)出被觀(guān)察到的熒光，從而通過(guò)記錄眼底熒光強度方便實(shí)時(shí)計算反應體內藥物濃度。在圖4a-c中展示了該微針貼片在聲信號下作用的熱效應以及撤去微針后皮膚的恢復情況。而在圖4d-f則展示了在主動(dòng)聲波信號施加后眼底熒光變化，通過(guò)控制聲波信號的時(shí)間與強度，能夠較為精準的控制藥物釋放的時(shí)間以及藥物注射量，從而滿(mǎn)足不同的給藥需求。

該智能微針通過(guò)聲波耦合驅動(dòng)技術(shù)，提供一種精準而有效的藥物遞送策略，聲波相比于其他響應技術(shù)具有易于集成、低成本且生物親和的優(yōu)勢，方便進(jìn)行可穿戴設計和智能化控制。此外針尖的聲波空化以及聲熱效應具有促進(jìn)藥物在組織內吸收的潛力。這些優(yōu)勢也讓該技術(shù)在個(gè)性化醫療場(chǎng)景下展現出較大的應用前景。

論文信息：

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.

備注：已獲得轉載版權