基于皮膚的超聲激活微型器件在智能給藥與診斷上的應用研究進展

目前，皮下、肌肉或靜脈注射是一種廣泛使用的常規(guī)給藥策略，但在治療過程中通常會表現(xiàn)出較高的侵入性和疼痛感。此外，全球約有10%的人患有針頭恐懼癥，且醫(yī)護人員在給藥過程中無意造成的針頭創(chuàng)傷會導致傳染病的傳播增加。因此，人們往往傾向于選擇低侵入性的口服給藥方式來實現(xiàn)藥物的全身循環(huán)，但由于酶、粘液和上皮屏障對藥物的生物活性、溶解度和吸收產(chǎn)生不利影響，因此口服給藥面臨著巨大挑戰(zhàn)。鑒于此，先進的透皮給藥器件為克服口服和注射給藥的局限性提供了前景廣闊的解決方案，此類器件可將給藥過程中的疼痛降至最低，并能持續(xù)、有效和可控地釋放藥物。

值得注意的是，基于超聲波的器件因其在智能給藥和診斷功能上的優(yōu)勢，為醫(yī)療服務提供者和患者帶來了便利和效率。然而，現(xiàn)有的用于給藥和生物醫(yī)學診斷的商用和傳統(tǒng)超聲波相關設備往往體積過大、笨重并且缺乏穩(wěn)定性，給臨床醫(yī)生的診斷、治療、療效和病情的評估帶來了諸多挑戰(zhàn)。令人欣慰的是，近年來，醫(yī)學、化學、材料學、生物工程和人工智能等多學科的交叉融合，促使該領域取得了許多突破性的技術進展。目前，能夠用于實時/連續(xù)信號監(jiān)測與收集的高靈敏度、便攜和可控的微型系統(tǒng)/器件逐漸浮現(xiàn)，革新了超聲器件相關的生物醫(yī)學應用，尤其是在基于皮膚的藥物遞送與診斷方面。

近期，華中科技大學同濟醫(yī)學院陳偉教授團隊在Advanced Drug Delivery Reviews期刊上發(fā)表了題為“Ultrasound-activatable and skin-associated minimally invasive microdevices for smart drug delivery and diagnosis”的綜述，從器件的工程設計策略、生物醫(yī)學應用、挑戰(zhàn)與未來展望方面闡述了基于皮膚的超聲激活微型器件（Ultrasound-activatable and skin-associated minimally invasive microdevices，USMIMs）在智能透皮給藥與生物醫(yī)學診斷上的研究進展。

用于藥物遞送和醫(yī)療診斷的典型USMIMs

用于藥物遞送的USMIMs可分為生物界面微型器件（包括透皮型超聲輔助微針、可附著皮膚的超聲促滲器件及其與微泡結合的系統(tǒng)）以及非生物界面微型系統(tǒng)。

此外，用于生物醫(yī)學診斷的USMIMs可分為成像相關和生理信號圖形監(jiān)測相關的微型超聲傳感器以及兩者復合的多模態(tài)超聲傳感器，其可用于多種信號檢測（如血壓、心率、肌肉活動、血液動力學、呼吸以及器官形態(tài)）。

超聲激活的皮膚界面微針系統(tǒng)的典型應用研究



可附著于皮膚的超聲促滲微型器件的典型應用研究



非生物界面微型系統(tǒng)——超聲介導微泡（Ultrasound-triggered microbubbles，UTMB）的典型應用研究



USMIMs在生物醫(yī)學成像領域的典型應用研究



USMIMs在生理信號監(jiān)測領域的典型應用研究



USMIMs在多模態(tài)診斷領域的典型應用研究

總而言之，USMIMs在生物醫(yī)學領域具有廣闊的應用前景，理應受到學術界越來越多的關注。臨床或臨床前階段的研究也在促進新一代USMIMs應用范圍的擴大。

然而，當前仍存在一些阻礙USMIMs快速發(fā)展與轉化的挑戰(zhàn)，包括USMIMs的安全性、環(huán)境耐受性、可穿戴性、舒適性、多模態(tài)融合以及個性化設計需求等。

盡管如此，USMIMs的創(chuàng)新研究和臨床試驗正在逐步推進，最終將實現(xiàn)藥物治療和生物醫(yī)學診斷一體化，從而為改善醫(yī)療保健提供新的途徑。

USMIMs的未來展望與挑戰(zhàn)

該論文的共同第一作者是華中科技大學同濟醫(yī)學院基礎醫(yī)學院藥理學系博士后曾齊和碩士研究生李官玥，通訊作者為華中科技大學同濟醫(yī)學院基礎醫(yī)學院藥理學系陳偉教授。

審核編輯：劉清