佐治亞理工學院王中林院士Adv. Funct. Mater.:由生物力學運動驅動和調節的自驅動離子電滲經皮給藥系統

【引言】

經皮給藥系統（TDD）是指藥物通過皮膚吸收的一種方法，藥物經由皮膚吸收進入人體血液循環并達到有效血藥濃度，從而實現疾病治療或預防。與口服給藥和皮下注射等方法相比，TDD具有許多優勢，例如無創、無痛、方便、廉價以及可自行管理。它還避免了因針頭重復使用而傳播疾病的風險以及口服給藥可能發生的肝臟首過效應及胃腸滅活，提高治療效果。它使藥物能夠連續給藥，降低了體內藥物濃度出現峰谷的風險，適于長期給藥治療。近年來，適于TDD系統遞送的藥物種類已經通過化學、生物和物理等增強皮膚滲透性的方法得到了擴展。目前，TDD的最新研究工作聚焦于具有閉環傳感和藥物輸送的可穿戴系統的開發上。可穿戴生物傳感器的發展實現了無痛、無創、實時地監測人類活動和生物標記物，所收集的生物傳感信號可以用作TDD的反饋控制，以實現按需治療遞送。因此，可穿戴生物傳感器和TDD的集成通過實現閉環疾病監測和治療，為精密醫學提供了解決方案。

【成果簡介】

具有反饋控制功能的經皮給藥（TDD）系統因其便捷、自我給藥和安全等獨特優勢而引起了廣泛的研究和臨床興趣。近日，佐治亞理工學院王中林院士提出了一種自驅動的可穿戴離子電滲TDD系統，可從生物力學運動中收集的能量來驅動和調節藥物經皮釋放，以實現閉環運動檢測和治療。這種TDD系統包括一個可穿戴式摩擦納米發電機（TENG）和一個基于水凝膠的具有并排電極的載藥軟貼片。其中，TENG可作為人體運動傳感器和能量收集器，可在沒有儲能電源的情況下將生物力學運動轉化為離子電滲療所需的電電能；而水凝膠載藥軟貼片可在TENG電流驅動下實現無創離子電滲TDD，促進藥物經皮釋放。作者以染料為模型藥物在豬皮上進行了驗證實驗，成功證明了該系統的可行性。這項工作不僅擴展了TENG在生物醫學領域的應用，而還可為具有閉環感測和治療的無創、電輔助TDD提供經濟高效的解決方案。該成果以題為“Self-Powered Iontophoretic Transdermal Drug Delivery System Driven and Regulated by Biomechanical Motions”發表在Adv. Funct. Mater.上，吳昌盛博士和姜鵬博士為本文共同第一作者，王中林院士為通訊作者。

【圖文導讀】

圖1.自驅動離子電滲TDD系統原理圖

圖2.TENG驅動的電泳流研究

圖3. 基于水凝膠的TDD載藥貼片

圖4. 可穿戴式TENG

圖5.自驅動TDD系統在豬皮的作用效果

【總結】

在這項研究中，作者提出并開發了一種由可穿戴式TENG和離子電滲療法貼片組成的自供電無創TDD系統。新興的TENG技術為可穿戴式醫療器件提供了一種簡便、經濟高效的解決方案，它不僅可以將相關的生物機械能轉換為電能，還能檢測人體運動，給可穿戴設備提供反饋信號；而基于水凝膠的藥物貼劑則可以利用由生物相容性材料制成的薄而保形的皮膚貼劑實現TDD。本工作使用染料作為模擬藥物在豬皮膚上證明了該系統的可行性，組織切片結果表明TENG電流明顯促進了藥物的皮膚滲透。

這種先進的TDD系統有望在沒有復雜組件的情況下具有成本效益，并且模塊化設計使TENG電源組件可以與不同的藥物貼劑一起重復使用。取決于TENG的觸發運動可能是非自愿或有意的應用場景，可以實現持續藥物釋放和帶有反饋控制的觸發釋放。因此，這項工作為具有閉環傳感和治療的無創、電輔助TDD提供了一個有前途的解決方案，并將基于TENG的自供電系統朝著先進的生物醫學治療方向發展。

文獻鏈接：Self-Powered Iontophoretic Transdermal Drug Delivery System Driven and Regulated by Biomechanical Motions. Adv. Funct. Mater., 2019, DOI: 10.1002/adfm.201907378.

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