可穿戴式微流控芯片在药物递送方面的研究

利用可穿戴设备透过皮肤进行给药(药物贴敷)的医疗方法有着悠久的历史,近年也出现了基于尼古丁替代原理的戒烟贴等产品,然而,这些贴敷类给药技术最大的劣势是给药剂量难以控制且使用时间短:初始贴敷后药物剂量过高,然而随着贴敷时间的延长,给药剂量也很快下降,药物剂量不断变化显然不利于对相应病情的控制。

可穿戴式微流控芯片的出现给透皮药物递送提供了新方法,即通过可穿戴的储药装置结合微针或者微针阵列穿刺皮肤送药,由于微针的外形长度精确可控,可以在穿刺皮肤时做到刺透皮肤表层的同时不触及神经层,实现无痛穿刺和精准用量送药。通过微针阵列与微流控芯片的配合,还能做到以微米甚至纳米颗粒包裹药物的形式进行送药。图1展示了各种不同种类的微针,其中空造型可实现穿刺和送药的目的,这些微针采用了金属、硅、聚合物等材料,其加工方法也都是从微机电系统(MEMS)和微流控系统的加工方法中继承和发展的。鉴于中空造型的微针阵列的加工比较困难,实际使用过程中也可以将药物涂在实心微针阵列上进行穿刺后缓慢释放药物或者使用可以生物降解的微针阵列。

图1不同种类的微针。(A)金属锥形针(B)中心偏置的火山形针(C)城堡形状的针头(D)锯齿形的针头

图2展示了一种简单易行的可穿戴式微流控药物释放装置,首先将纳米颗粒形态的药物固定在凝胶中,然后将凝胶装载在柔软材质的微流控芯片基片上,并添加一层微针阵列。当需要用药时,通过手指弯曲时的张力作用微针刺入皮肤,同时压迫凝胶,释放含有药物的纳米颗粒,达到送药的目的。作者声称这种可穿戴微流控药物释放装置可以用来释放抗炎、止痛等药物,与血糖检测信号结合,还可以用于精准释放胰岛素,调节血糖含量。

图2可穿戴式微流控药物释放装置。(A)内置药物的可穿戴式微流控芯片,通过手指的弯曲完成药物释放(B)内置药物的可穿戴芯片与微针阵列结合

可穿戴式微流控芯片的研究横跨了多个学科领域,包括电子学、材料科学、生物学以及分析化学,这些学科的每一步发展都可能会对可穿戴式微流控芯片的进步产生积极作用。尽管经过了十余年的发展,可穿戴式微流控芯片还处在初级的发展阶段,距离大规模的商业化应用还有很长距离。未来可穿戴微流控芯片的发展可能从以下几个方面取得突破:

(1) 检测的长期性和持久性

目前的各类可穿戴微流控芯片对汗液、唾液等的检测绝大部分都是一次性使用的,有效监测时间从几十分钟到几小时不等。这是因为微流控芯片采集体液检测后无法排出,检测样品堆积,导致检测芯片无法循环使用。未来的研究中可以探究各类体液采集后的排出机制,甚至微流控芯片可以配备自我冲洗结构,以利于长期使用。

(2) 佩戴的舒适性

现有研究中,可穿戴液滴微流控芯片的佩戴还很不舒适,主要原因是操作中将体液采集、分析、传输及电源等做成了多个模块,模块之间用管道和导线相连,佩戴不便。最近兴起的“纹身冶形式的可穿戴微流控芯片给了我们新的启示,可以将体液收集、检测、无线传输尽量整合在一块面积较小的柔性微流控芯片上,与皮肤贴合后舒适度会大大增加。同时,从佩戴舒适性的角度考虑,对电源的选择也应尽量小型化,甚至可以利用MEMS系统中的能量回收(Energyharvesting)的概念,利用生活中人体自身运动产生的能量进行供电。

(3) 检测手段的多样性

目前由于检测皮肤pH值、钾/钠离子等的可穿戴微流控芯片使用的还是基于选择性离子电极或选择性离子薄膜的电化学检测方法,使用中有着需要频繁校准和信号漂移的问题。预计未来会有越来越多的研究者将运用碳纳米管和石墨烯等技术改进这两种电化学检测方法。还可以预见,伴随着生物传感器的发展,生物传感器未来必将被使用在可穿戴微流控芯片中。

(4) 检测与药物输送的整合

可穿戴式微流控芯片在生命特征检测和药物输送这两方面的应用,很容易联想到检测和药物输送这两个过程有着整合的潜力,即使用采样检测的结果作为药物输送的参考条件,制成集检测和药物输送功能于一体的可穿戴式微流控芯片。可以预见,在这种具有综合功能的可穿戴式微流控芯片大规模推广应用之前,还需要解决稳定性、安全性、能量供给、制作成本等一系列的问题。

文献：DOI: 10. 11895 / j. issn. 0253-3820. 160623

（文章节选自： 可穿戴式微流控芯片在体液检测和药物递送中的研究进展 作者：范一强 高 峰 王 玫 庄 俭 唐 刚* 张亚军 科学网科学网转载仅供参考学习及传递有用信息，版权归原作者所有，如侵犯权益，请联系删除）