基于微沖擊波實(shí)現(xiàn)給藥的微系統(tǒng)應(yīng)用研究

植入式藥物輸送（給藥）微系統(tǒng)能夠通過最大限度地提高局部藥物功效和減少潛在的副作用來滿足局部治療要求。包括食道、胃腸道和呼吸道在內(nèi)的人體內(nèi)部器官，其輪廓會出現(xiàn)不規(guī)則折疊狀，病變部位常位于彎曲或曲折的區(qū)域。目前的治療方法對這些器官進(jìn)行局部給藥的能力有限。如果將藥物噴灑到這些區(qū)域，并利用藥物粉末的粘附性和吸水性附著到病變區(qū)域，可以提供有效的治療。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，北京理工大學(xué)研究人員開發(fā)了一種基于微沖擊波實(shí)現(xiàn)給藥的微系統(tǒng)，并對其應(yīng)用進(jìn)行了研究。該微系統(tǒng)裝置包括一個(gè)可將粉末放置在頭部的彈頭狀外殼，一個(gè)可插入尾部的柔性桿。該微系統(tǒng)能夠?qū)⑺幬锍练e在人體器官彎曲或曲折區(qū)域的粘膜上，研究人員通過數(shù)值模擬分析了其在給藥過程中的爆炸沖擊特性。在豬腸給藥實(shí)驗(yàn)中，研究人員描述了該微系統(tǒng)的生物安全性和給藥能力。他們預(yù)計(jì)，該微系統(tǒng)可以應(yīng)用于人體彎曲或曲折區(qū)域的一系列腔內(nèi)疾病，同時(shí)最大限度地發(fā)揮藥物的靶向治療作用。

高摻雜半導(dǎo)體橋用于高能器件，該器件在至少1A的脈沖電流時(shí)，可在短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生高能量，并將能量應(yīng)用到含能材料疊氮化銅Cu(N?)?上。疊氮化銅受熱發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后爆炸產(chǎn)生沖擊波。該沖擊波使微系統(tǒng)裝置頭部的粉末被噴入人體的病理區(qū)域。在沖擊波的作用下，透明罩內(nèi)藥粉的最大動能為3.2 ?×?10??J、最高速度達(dá)到60?m/s。此外，因?yàn)橄到y(tǒng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，微爆沖擊波主要沿軸向傳播，徑向振動極小。在管狀外殼中設(shè)置聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，以便爆炸產(chǎn)生的銅化合物被截留在殼體中，不會隨藥粉進(jìn)入人體。該微系統(tǒng)的總運(yùn)行時(shí)間只有幾百微秒。因此，產(chǎn)生的熱量可以忽略不計(jì)，因?yàn)檠b置本身不會加熱。研究人員設(shè)計(jì)了系統(tǒng)和各個(gè)模塊，包括含能材料疊氮化銅和作為含能器件的半導(dǎo)體電橋。

基于微爆炸沖擊波的給藥微系統(tǒng)概述和數(shù)值表征

然后，研究人員對幾何特征參數(shù)對微爆炸沖擊波給藥的影響，以及系統(tǒng)和各模塊的加工裝配進(jìn)行了動態(tài)模擬評估。最后，在豬腸內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，并對結(jié)果進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了基于微爆沖擊波的給藥微系統(tǒng)的生物安全性和給藥能力。

基于微爆炸沖擊波的給藥特性

研究人員利用豬腸進(jìn)行給藥實(shí)驗(yàn)，以評估基于微爆炸沖擊波的給藥微系統(tǒng)的可行性和生物安全性。豬腸被對折形成一定弧度的曲線，他們用記號筆在豬腸彎曲部分做了標(biāo)記。彎曲部分如下圖a-i所示。研究人員的目標(biāo)是通過沖擊波噴射將藥粉送到標(biāo)記區(qū)域。他們用紅色粉筆粉突出實(shí)驗(yàn)效果。該裝置被插入豬的腸道，透明罩的頂部與其中一個(gè)標(biāo)記對齊，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程中，豬的腸道始終處于彎曲狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)開始時(shí)外部電源為5?V。研究人員針對兩種不同L1值（含義見上圖a）的微系統(tǒng)裝置，進(jìn)行了四組實(shí)驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)束后，他們沿軸向切開豬腸。結(jié)果如下圖a-ii所示。紅色粉筆粉末被噴入腸道，覆蓋了局部60%的區(qū)域，證明了設(shè)計(jì)的可行性。如圖a-iii所示，當(dāng)微系統(tǒng)裝置的L1值較小時(shí)，噴灑在豬腸上的粉末面積較大，相比之下顏色較深。這是因?yàn)榇藭r(shí)沖擊波更強(qiáng)。

豬腸給藥實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了給藥微系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性和生物安全性

由于疊氮化銅在爆炸后產(chǎn)生銅和氮，銅會導(dǎo)致人體重金屬中毒。因此，研究人員在豬腸中進(jìn)行了生物安全性實(shí)驗(yàn)，使用鹽作為藥粉。實(shí)驗(yàn)完成后，他們干燥樣品，并在多功能X射線衍射儀（日本Rigaku SmartLab）下進(jìn)行相位檢測，如上圖b所示。圖b-ii為掃描后的樣品光譜，將樣品光譜與待檢測成分的標(biāo)準(zhǔn)光譜進(jìn)行了比較。樣品光譜的峰值強(qiáng)度與氯化鈉（NaCl）的標(biāo)準(zhǔn)光譜完全一致，這證明樣品中含有給藥微系統(tǒng)噴射的粉末，如上圖b-iii所示。研究人員觀察到，樣品光譜在銅、疊氮化銅和氧化銅（CuO）的標(biāo)準(zhǔn)光譜處沒有峰值強(qiáng)度，這證明該藥粉未將銅、疊氮化銅和氧化銅攜帶進(jìn)豬腸內(nèi)。

疊氮化銅的制備工藝

綜上所述，鑒于植入式靶向治療疾病的公認(rèn)能力，研究人員開發(fā)了一種新型生物醫(yī)學(xué)微系統(tǒng)裝置。爆炸沖擊波不僅能將藥粉噴射到身體的管狀區(qū)域，更重要的是，將藥粉輸送到胃腸道、大腦、氣管和身體其它器官中難以觸及的彎曲或曲折區(qū)域。利用藥物粘附和吸水性將藥物粘附在病灶上，提供了有效的精準(zhǔn)治療。該研究對基于微爆沖擊波的給藥微系統(tǒng)進(jìn)行了總體設(shè)計(jì)。采用有限元模擬與實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，評估管狀殼形、透明罩、半導(dǎo)體橋等模塊的特征參數(shù)，并分析特征參數(shù)對沖擊波給藥的影響。最后，選擇最佳參數(shù)對微系統(tǒng)各模塊進(jìn)行加工。更重要的是，研究人員在實(shí)驗(yàn)中證明了該微系統(tǒng)的靶向給藥能力，藥物最大覆蓋面積達(dá)到局部面積60%以上，該系統(tǒng)無毒，無伴隨損傷。此外，該給藥微系統(tǒng)可以根據(jù)人體腔的大小匹配不同的結(jié)構(gòu)尺寸，并應(yīng)用于治療體內(nèi)難以觸及的一系列病灶。

審核編輯：郭婷