基于SU-8微流道的SAW器件制備實(shí)現(xiàn)藥物霧化

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，來自哈爾濱工業(yè)大學(xué)、深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院和深圳市人民醫(yī)院的科研團(tuán)隊(duì)開發(fā)出一款使用表面聲波（SAW）的替代霧化器平臺(tái)。他們證明了SAW霧化可以產(chǎn)生合適濃度和粒徑分布的氣霧劑，可被有效地吸入肺內(nèi)給藥，是一種潛在治療哮喘的霧化裝置。該項(xiàng)研究中，科研人員提出了一種通過微流控通道實(shí)現(xiàn)藥物霧化的方法。該方法采用光刻技術(shù)在壓電襯底表面制備SU-8微流道。結(jié)合二氧化硅包覆工藝和PDMS（聚二甲基硅氧烷）工藝制備封閉的微流控通道，提供藥物的連續(xù)霧化，以提高微流控藥物霧化的沉積效率。

　　基于SU-8微流道的SAW器件制備示意圖

　　藥物向肺部輸送主要有兩種途徑，一種是藥物沿著呼吸道在肺表面的局部作用；另一種是藥物通過血液輸送到全身。近50年的記錄顯示，前者的使用率顯著增加，人們意識(shí)到與口服或全身給藥相比，病患局部治療效率雖然相對(duì)較低，但所需的藥物劑量水平也顯著降低，副作用和毒性問題相對(duì)較少。

　　目前，吸入療法已廣泛用于治療呼吸系統(tǒng)疾病，包括哮喘、慢性阻塞性肺?。–OPD）、肺囊性纖維化以及肺動(dòng)脈高壓等。通過吸入藥物直接輸送至肺部，有助于局部靶向治療疾病或特定的受損區(qū)域，并且藥物吸入無痛，從而最大限度地減少潛在的系統(tǒng)性副作用。

　　哮喘是一種慢性炎癥性疾病，與氣道壁中過多的淋巴細(xì)胞和嗜酸性粒細(xì)胞有關(guān)。這種氣道炎癥使氣道變窄，導(dǎo)致人體呼吸時(shí)氣流阻塞。為了使吸入療法最有效，載藥氣霧劑必須主要沉積在肺部的炎癥部位。最近的研究表明，在某些類型的哮喘患者的整個(gè)肺區(qū)域，從支氣管到肺泡，都發(fā)現(xiàn)了高嗜酸性粒細(xì)胞。因此，藥物直接沉積在整個(gè)下呼吸道被認(rèn)為是最有效的治療方法。

　　影響顆?；驓忪F劑肺部沉積的最關(guān)鍵因素之一是顆粒的空氣動(dòng)力學(xué)特性，包括顆?；驓馊苣z的尺寸、密度、形狀、吸濕性等。許多臨床研究表明，霧化的氣溶膠大小對(duì)吸入療法的療效至關(guān)重要。一般來說，氣溶膠粒徑越大，越容易沉積在上呼吸道甚至胸外區(qū)域。而呼氣時(shí)可快速呼出直徑較小的氣溶膠，粒徑小至0.5μm。目前，許多研究表明，正常潮式呼吸時(shí)，霧化氣溶膠粒徑處于1~5μm是肺部給藥的最佳范圍。

　　與傳統(tǒng)的定量霧化吸入器（MDI）和干粉吸入器（DPI）相比，該霧化器運(yùn)行時(shí)間更長(zhǎng)，可以輸送更多的藥物。此外，與定量霧化吸入器不同的是，該霧化器不需要患者的協(xié)調(diào)技能，也不需要像干粉吸入器那樣通過吸入來驅(qū)動(dòng)，這對(duì)于那些患有慢性阻塞性肺病急性發(fā)作或哮喘發(fā)作且無法自行用藥的患者來說是急需的。同理，普通吸入器在兒童和老年患者之間的實(shí)用性較差，而該霧化器中的劑量可以根據(jù)年齡、性別進(jìn)行調(diào)整。

　　為了解決前面列出的各種藥物遞送的技術(shù)問題，研究人員開發(fā)出一款基于微流控供液的SAW霧化平臺(tái)。SAW是一種沿壓電襯底表面?zhèn)鞑サ穆暡ǎ穹诩{米級(jí)別。與傳統(tǒng)超聲霧化（頻率小于?1 MHz）相比，SAW霧化驅(qū)動(dòng)頻率更高（頻率大于10 MHz），可大量產(chǎn)生粒徑在1~10 μm范圍內(nèi)的氣溶膠。SAW是將機(jī)械能轉(zhuǎn)移至為流體的有效方式。與將能量作為一個(gè)整體傳播的超聲波不同，SAW傳輸?shù)哪芰抗潭ㄔ谝r底上，直到它與流體接觸。當(dāng)液滴放置在SAW傳播的路徑上時(shí)，SAW將在到達(dá)襯底和液體之間的邊界時(shí)衰減為泄漏表面聲波（LSAW）模式。伴隨波的衰減，聲能以一個(gè)被稱為“瑞利角（Rayleigh angle）”的傾斜角泄漏到液滴中。這個(gè)過程會(huì)在液滴中產(chǎn)生聲輻射壓力和循環(huán)流動(dòng)，稱為表面聲波流，如下圖所示。

?

上圖是SAW與液體相互作用產(chǎn)生霧化的示意圖；下圖是產(chǎn)生SAW的壓電襯底（左）和用于產(chǎn)生SAW的便攜式電池供電電路（右）圖。

一款理想的霧化器可以有效地輸送高劑量藥物，并可以精確控制液滴尺寸分布。此外，SAW霧化已被證明具有廣泛的應(yīng)用，例如蛋白質(zhì)提取、用于診斷的紙基分析器件表征、藥物輸送、質(zhì)譜分析、噴霧冷卻等。Anushi E Rajapaksa等人報(bào)道了SAW手持霧化器產(chǎn)生的質(zhì)粒DNA液滴的尺寸范圍適合輸送到下呼吸道。Layla Alhasan等人證明了SAW霧化平臺(tái)是一種有前途的高效肺干細(xì)胞遞送方法。因此，這些研究證實(shí)SAW霧化可以將液滴直徑為1~5μm的藥物輸送到肺深部區(qū)域。

高速攝像機(jī)捕獲的基于SU-8微流道供液的SAW波霧化沙丁胺醇溶液的圖像（表面聲波頻率為60 MHz，輸入功率為5.26W）

研究人員采用新型微流控供液方法，將沙丁胺醇溶液霧化成微小的液滴，形成一個(gè)幾乎理想的氣溶膠羽狀，在此過程中沒有噴射現(xiàn)象。使用基于SU-8微流道供液的SAW裝置霧化沙丁胺醇溶液，肺區(qū)域的沉積率可達(dá)75%，明顯高于使用醫(yī)用霧化器通常達(dá)到的46%。差異有統(tǒng)計(jì)學(xué)意義（P?

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41598-022-11132-9

編輯：黃飛

?