北航-樊瑜波团队︱多功能主动控制药物释放的柔性瞬态生物电子系统

本文由北京航空航天大学 樊瑜波教 授团队受邀撰写！

一、研究背景：

植入式给药系统在局部按需给药和治疗中发挥着重要作用。结合材料和结构的设计，现有的药物控释系统可以满足多种病理环境下的给药需求，如皮下、肌肉、血管等。然而，目前大多数药物控释系统只能被动释放药物，只有当材料降解或药物与材料的连接被破坏时药物才会被释放。被动释放只能通过材料与环境的相互作用实现药物的泄漏和扩散。它们不能精确控制药物的释放时间和释放速率。并且，大多数药物控释系统的功能单一，不能针对复杂的病理环境进行双重或多重给药。此外，现有的大多数药物控释装置都是基于不可降解材料，这些材料在药物释放后不能被机体完全吸收。因此，理想的主动控制给药装置应该具有如下特征：（1）保证药物零泄漏，药物释放后能在体内完全降解；（2）可以根据需要精准调控药物释放行为；（3）具有广谱载药能力和多功能给药能力；（4）满足不同病理环境的植入需要。

二、文章简介：

针对上述问题，北京航空航天大学生物与医学工程学院樊瑜波教授团队，在前期研究工作的基础上，提出了一种可生物降解的多功能药物主动控释系统。相关研究成果发表于Advanced Functional Materials上。2020级博士研究生刘帅印为该论文的第一作者，牛旭锋教授和樊瑜波教授为论文的共同通讯作者，博士生贾真珍和杨丰合、本科生宁天勤、以及顾雪楠副教授为论文的共同完成人，北京航空航天大学为该论文的唯一完成单位。

图1. 多功能药物主动控释系统的结构及其应用。

三、研究内容：

可生物降解多功能药物主动控释系统由可降解金属镁和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚乳酸（PLA）封装薄膜组成。其中镁箔既是载药系统的阀门对储药室内的药物起到封闭作用同时又成为电路阳极。控制器的电刺激在阳极镁阀门和阴极电极之间产生偏压，使镁阀门表面发生不可逆的法拉第反应（Mg → Mg2+ + 2e-)。这种反应在镁阀门与聚乳酸储药室交界处表现为剧烈的缝隙腐蚀，并最终腐蚀降解贯穿阀门使其对储药室的封闭作用失效，释放储药室内的药物。研究结果表明，外加电压、阀门厚度和阀门面积对阀门的打开时间具有显著影响，阀门面积还可以显著影响药物的释放速率。通过调节以上参数，该系统能够对药物释放行为进行精准控制。为了实现多功能药物控释，该团队设计了串联式阀门，使镁阀门沿Z轴方向对齐，与PLA一起构建成多个腔室。储药室内搭载相同的药物时该系统能够进行脉冲式药物释放；储药室内搭载不同的药物时该系统则能够进行顺序式药物释放。此外，PLGA内搭载的药物会随着降解缓慢释放，与阀门控制的快速药物释放一同构成双时间线药物递送功能。整个系统的可生物降解性使其潜在副作用降到最低。该装置在大鼠身上的应用证实了其在体内进行脉冲式给药的能力。细胞和体外血管生物反应器实验证明了该系统具有良好的生物相容性和双时间线给药能力。这种多功能的精准给药系统将在伴有并发症的慢性疾病治疗中发挥重要作用。

四、结论与展望：

本文提出了一种新颖的串联式阀门结构设计，并用可生物降解的PLGA/PLA薄膜对其进行封装。该设计和封装简化了多个控制单元。纵向分布的结构减少了系统的面积和体积，使主动控制给药系统仅用一个控制单元就能实现多种功能，同时保持了良好的柔性，能够弯曲和折叠以适应不同组织/器官的形态。这种结构设计还可以实现药物释放系统的小型化，以适应血管等小尺寸的组织/器官，同时执行多功能的药物控释任务。该系统能够在主动控制下进行脉冲式释放、顺序式释放和双时间线给药，在需要多次数、多类型、长期和短期药物联合使用的慢性病治疗中优势明显。未来，结合微型可降解无线控制装置可以使系统更加微型化和智能化，从而进一步拓展其在个性化可穿戴医疗领域的应用前景。

五、致谢：

感谢国家自然科学基金（项目编号：12272032、11827803、U20A20390）、国家重点研发计划（项目编号：2020YFC0122204）和高等学校学科创新引智计划（111计划）（项目编号：B13003）等项目的支持。

Authors:‍ Shuaiyin Liu, Zhenzhen Jia, Fenghe Yang, Tianqin Ning, Xuenan Gu, Xufeng Niu*, and Yubo Fan*

Title:Flexible transient bioelectronic system enables multifunctional active-controlled drug delivery

Published in:Advanced Functional Materials, doi:10.1002/adfm.202215034

通讯作者简介：

牛旭锋，北京航空航天大学生物与医学工程学院教授、博士生导师。入选了北京高等学校“青年英才计划”，是科技部“植介入医疗器械的生物力学与力生物学创新团队”核心成员。主要从事生物材料、控制释放、生物力学等领域的教学科研工作。承担国家自然科学基金、国家重点研发计划等10余项省部级及以上科研项目，以第一/通讯作者发表SCI论文70余篇，获得授权国家发明专利10项，专利转化1项。兼任中国医药教育协会医用生物材料与技术专业委员会委员、中国生物材料学会材料生物力学分会委员、国际华人骨研学会终身会员等学术职务。

樊瑜波，北京航空航天大学生物与医学工程学院教授、博士生导师、长江学者、国家杰青、国家自然科学基金创新群体（生物力学与力生物学）带头人、科技部植介入医疗器械重点领域创新团队带头人。现任生物与医学工程学院院长、医学科学与工程学院院长。入选美国医学生物工程院、国际医学与生物工程科学院、国际生物材料学会会士，中国生物医学工程学会第七/八届理事长、世界华人生物医学工程协会前主席。获教育部自然科学一等奖(2016)、 “黄家驷生物医学工程奖”基础研究类一等奖(2017)、发明类二等奖(2019、2021)、中国生物材料学会二等奖（2020）等。长期致力于生物力学与力学生物学、生物材料与植介入医疗器械、航空航天生物医学工程等领域的基础和应用研究。

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