植入式藥物輸送（給藥）微系統(tǒng)能夠通過(guò)最大限度地提高局部藥物功效和減少潛在的副作用來(lái)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(huì)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(duì)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(kāi)發(fā)了一種基于微沖擊波實(shí)現(xiàn)給藥的微系統(tǒng)，并對(duì)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?gòu)澢蚯蹍^(qū)域的粘膜上，研究人員通過(guò)數(shù)值模擬分析了其在給藥過(guò)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(dòng)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(dòng)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(huì)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(huì)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(duì)幾何特征參數(shù)對(duì)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(dòng)態(tài)模擬評(píng)估。最后，在豬腸內(nèi)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試，并對(duì)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(píng)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(duì)折形成一定弧度的曲線，他們用記號(hào)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(guò)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(duì)齊，在整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，豬的腸道始終處于彎曲狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)開(kāi)始時(shí)外部電源為5?V。研究人員針對(duì)兩種不同L1值（含義見(jiàn)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(kāi)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(huì)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(cè)，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(cè)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(méi)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(kāi)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(duì)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(píng)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(duì)沖擊波給藥的影響。最后，選擇最佳參數(shù)對(duì)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(wú)毒，無(wú)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