基于皮膚阻抗分析幫助實(shí)現(xiàn)主動(dòng)和被動(dòng)皮膚給藥

隨著領(lǐng)先企業(yè)積極開發(fā)各種注射替代方法，給藥成為制藥行業(yè)中增長最快的一個(gè)領(lǐng)域?？蛇x的給藥方式如口服、局部用藥、肺吸(吸入式)等，納米技術(shù)應(yīng)用后，經(jīng)皮膚吸收給藥系統(tǒng)是目前流行的研究領(lǐng)域。經(jīng)皮給藥方法是通過患者的皮膚提供無創(chuàng)性治療給藥，該方法利用兩種方式之一來克服肌膚的保護(hù)屏障：即被動(dòng)吸收和主動(dòng)滲透。

外用貼劑是一種最常用的被動(dòng)給藥方法。貼到病人的皮膚上，通過控制貼敷時(shí)間來實(shí)現(xiàn)給藥的劑量，這種方法可以安全并舒適地實(shí)現(xiàn)給定。這些藥物通過皮膚吸收進(jìn)入血液。尼古丁貼劑就是一個(gè)最好的例子，但其他常見的用途包括運(yùn)動(dòng)疾病的治療、激素替代療法和生育控制等。但被動(dòng)給藥有兩個(gè)主要缺點(diǎn)：藥物的吸收速度取決于皮膚的阻抗，只有數(shù)量有限的一些藥物能夠以可接受的速率通過皮膚的保護(hù)屏障擴(kuò)散。因此，行業(yè)內(nèi)主要的投資都轉(zhuǎn)向主動(dòng)給藥方法。主動(dòng)經(jīng)皮給藥方法包括：使用超聲能量來加快藥物擴(kuò)散，利用射頻能量來產(chǎn)生微通道角質(zhì)層(表皮外層)以及離子滲透療法。

離子滲透療法利用電荷來主動(dòng)地將藥物通過皮膚傳遞到血液。該設(shè)備由兩個(gè)帶電的藥物分子的腔室組成。陽極的正電荷將排斥帶正電的化學(xué)物質(zhì)，而負(fù)電荷的陰極將排斥帶負(fù)電荷的化學(xué)物質(zhì)。兩個(gè)腔室之間所形成的電磁場將以某種受控的方式主動(dòng)地使藥物穿透皮膚。

皮膚的阻抗是經(jīng)皮膚給藥的一個(gè)關(guān)鍵變量。該阻抗很復(fù)雜，具體取決于年齡、種族、體重、活動(dòng)水平以及其他多種因素，且與頻率相關(guān)，因此很難建模。動(dòng)態(tài)測量皮膚的阻抗能夠?yàn)閷?shí)現(xiàn)最佳給藥提供準(zhǔn)確且實(shí)用的解決方案。

阻抗譜大大簡化了人體皮膚這類復(fù)數(shù)阻抗的精確分析，該方法充分考慮了電阻、電容和電感的阻抗隨頻率的改變而不同變化的因素。隨著頻率的增加，電阻器的阻抗保持不變，電容器的阻抗減小，而電感的阻抗增加。通過用已知交流波形激勵(lì)測試阻抗，能夠確定未知阻抗的電阻、電感和電容分量。直接數(shù)字頻率合成器(DDS)具有靈活的相位頻率和振幅、掃描功能以及可編程能力，是激勵(lì)未知阻抗的理想選擇。通過嵌入的數(shù)字處理和增強(qiáng)的頻率控制功能，該設(shè)備產(chǎn)生合成的模擬或數(shù)字頻率步進(jìn)波形。圖2顯示了一個(gè)簡單阻抗分析儀組成方框圖。低功耗、75MHz DDS的AD9834所產(chǎn)生的交流波形被高速、軌至軌運(yùn)算放大器AD8091濾波、緩沖以及幅值調(diào)整。另一個(gè)AD8091對(duì)響應(yīng)信號(hào)進(jìn)行緩沖并對(duì)其幅值進(jìn)行調(diào)整，以與12位的1Msps逐次逼近型(SAR)模數(shù)轉(zhuǎn)換器AD7476A的輸入電壓范圍相匹配。

不過，上述這個(gè)簡單的信號(hào)鏈掩蓋了一些潛在的挑戰(zhàn)。首先，模數(shù)轉(zhuǎn)換器必須在頻率范圍內(nèi)同步采樣激勵(lì)波形和響應(yīng)波形，以便能夠保持相位信息。優(yōu)化這一過程對(duì)整體性能來說非常關(guān)鍵。此外，由于涉及到眾多的分立元件，從而不同的公差、溫度漂移和噪聲都會(huì)影響測量精度，特別是處理小信號(hào)時(shí)。

利用12位、1Msps的集成式阻抗轉(zhuǎn)換器和網(wǎng)絡(luò)分析儀芯片AD5933便可以克服上述這些局限，該芯片將DDS波形發(fā)生器和SAR型ADC集成到一個(gè)單芯片上，如圖3所示。

AD5933的輸出阻抗為幾百歐姆，具體取決于輸出范圍。該阻抗將影響皮膚阻抗的測量，因此需要利用AD85 31運(yùn)算放大器來緩沖信號(hào)，以降低與皮膚串聯(lián)的阻抗，如圖4所示。請(qǐng)注意，AD5933的接收端在片內(nèi)被偏置至VDD/2，因此，為了防止飽和，該等值電壓必須加到外部放大器的同相端上。