基于皮肤的超声激活微型器件在智能给药与诊断上的应用研究进展

目前，皮下、肌肉或静脉注射是一种广泛使用的常规给药策略，但在治疗过程中通常会表现出较高的侵入性和疼痛感。此外，全球约有10%的人患有针头恐惧症，且医护人员在给药过程中无意造成的针头创伤会导致传染病的传播增加。因此，人们往往倾向于选择低侵入性的口服给药方式来实现药物的全身循环，但由于酶、粘液和上皮屏障对药物的生物活性、溶解度和吸收产生不利影响，因此口服给药面临着巨大挑战。鉴于此，先进的透皮给药器件为克服口服和注射给药的局限性提供了前景广阔的解决方案，此类器件可将给药过程中的疼痛降至最低，并能持续、有效和可控地释放药物。

值得注意的是，基于超声波的器件因其在智能给药和诊断功能上的优势，为医疗服务提供者和患者带来了便利和效率。然而，现有的用于给药和生物医学诊断的商用和传统超声波相关设备往往体积过大、笨重并且缺乏稳定性，给临床医生的诊断、治疗、疗效和病情的评估带来了诸多挑战。令人欣慰的是，近年来，医学、化学、材料学、生物工程和人工智能等多学科的交叉融合，促使该领域取得了许多突破性的技术进展。目前，能够用于实时/连续信号监测与收集的高灵敏度、便携和可控的微型系统/器件逐渐浮现，革新了超声器件相关的生物医学应用，尤其是在基于皮肤的药物递送与诊断方面。

近期，华中科技大学同济医学院陈伟教授团队在Advanced Drug Delivery Reviews期刊上发表了题为“Ultrasound-activatable and skin-associated minimally invasive microdevices for smart drug delivery and diagnosis”的综述，从器件的工程设计策略、生物医学应用、挑战与未来展望方面阐述了基于皮肤的超声激活微型器件（Ultrasound-activatable and skin-associated minimally invasive microdevices，USMIMs）在智能透皮给药与生物医学诊断上的研究进展。

用于药物递送和医疗诊断的典型USMIMs

用于药物递送的USMIMs可分为生物界面微型器件（包括透皮型超声辅助微针、可附着皮肤的超声促渗器件及其与微泡结合的系统）以及非生物界面微型系统。

此外，用于生物医学诊断的USMIMs可分为成像相关和生理信号图形监测相关的微型超声传感器以及两者复合的多模态超声传感器，其可用于多种信号检测（如血压、心率、肌肉活动、血液动力学、呼吸以及器官形态）。

超声激活的皮肤界面微针系统的典型应用研究  



可附着于皮肤的超声促渗微型器件的典型应用研究  



非生物界面微型系统——超声介导微泡（Ultrasound-triggered microbubbles，UTMB）的典型应用研究  



USMIMs在生物医学成像领域的典型应用研究  



USMIMs在生理信号监测领域的典型应用研究

 

USMIMs在多模态诊断领域的典型应用研究  

总而言之，USMIMs在生物医学领域具有广阔的应用前景，理应受到学术界越来越多的关注。临床或临床前阶段的研究也在促进新一代USMIMs应用范围的扩大。

然而，当前仍存在一些阻碍USMIMs快速发展与转化的挑战，包括USMIMs的安全性、环境耐受性、可穿戴性、舒适性、多模态融合以及个性化设计需求等。

尽管如此，USMIMs的创新研究和临床试验正在逐步推进，最终将实现药物治疗和生物医学诊断一体化，从而为改善医疗保健提供新的途径。

USMIMs的未来展望与挑战

该论文的共同第一作者是华中科技大学同济医学院基础医学院药理学系博士后曾齐和硕士研究生李官玥，通讯作者为华中科技大学同济医学院基础医学院药理学系陈伟教授。

审核编辑：刘清