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一張面膜,登上ACS Nano!超聲促滲,實現面部藥物遞送
2022年04月07日    閱讀量:     新聞來源:中國化工網 okmart.com  |  投稿

數千年來,經皮給藥在醫療領域發揮著巨大的作用。目前,加速藥物遞送的策略主要包括常規化學增強劑、離子導入、超聲促滲等。其中,超聲促滲(sonophoresis)是利用超聲波將藥物送入/通過皮膚中國化工網okmart.com。與傳統的化學增強劑和離子導入相比,超聲促滲可以在更大的分子量范圍內增加皮膚滲透性,最大可達數萬道爾頓(尺度在納米級水平)。一般來說,超聲促滲包括低頻超聲促滲(LFS,20-100 kHz)和高頻超聲促滲(HFS,≥0.7 MHz)。這兩種方法都主要基于空化效應,但LFS通常作用于皮膚表面,而HFS可作用于皮膚內部。


同時,將超聲促滲技術應用于人類面部保健是一個很有前景的想法,因為改善面部健康狀況對所有年齡段的人都具有重要意義。因此,可基于超聲促滲技術開發用于面部保健的可穿戴電子設備。然而,這類面部保健策略目前還面臨著諸多挑戰。一是需要完美的適形程度(conformal fit):超聲波傳播需要介質,但超聲波發射探頭和皮膚之間的空氣會大大降低傳播效率,因此探頭和面部皮膚之間的完美適形配合至關重要;二是免持個人長期使用性:面部保健過程通常持續數十分鐘,在此期間,最好同時能夠免持展開其他工作;三是人臉的大面積復雜表面,這也大大增加了可穿戴器件的開發難度。


可拉伸電子面膜

中科院力學所蘇業旺研究員等人提出了一種介可拉伸電子面膜(SEFM)作為面部保健的平臺。這種平臺集成了各式傳感器和執行器,可實現超聲促滲功能并促進藥物面膜的遞藥效果。為了克服技術上的挑戰,該研究采用半表面部分設計連接的平面硅樹脂層和單面軟壓(SSSP)封裝技術制造器件。此外,通過有限元分析和實驗,作者還驗證了SEFM的機械、熱、電和超聲波特性。最后,動物實驗展現了SEFM具有加速透明質酸(HA)釋放的效果,而通過人類面部實驗則證實了SEFM可以將皮膚含水量提高20%。相關工作以“Stretchable Electronic Facial Masks for Sonophoresis”為題發表在ACS Nano。


【文章要點】

一、SEFM機制

如圖1所示,用于超聲促滲的SEFM具有類人臉和耳鉤的結構。而在佩戴SEFM前,實驗對象還需要佩戴由水、甘油、HA等其他藥物組成的藥物面膜。SEFM本身是一種夾層結構,其外部和內部分別由白色和透明的可拉伸硅樹脂層進行封裝,并由集成了超聲激發式壓電陣列的可伸縮島-橋網狀電路組成。在超聲促滲機制方面,超聲波的空化效應導致角質層角質細胞之間的空腔產生氣泡,振蕩的空化氣泡導致角質層脂質雙層紊亂,實現皮膚通透性的增加。此外,熱效應還可以通過增加藥物的動能和擴散率、擴張毛囊和汗腺,以及增強治療區域的血液循環來發揮額外作用。

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圖1 SEFM的結構及其作用機制

二、SEFM的設計和制造

SEFM可伸縮島-橋網狀電路的制造如圖2所示。首先,分別在厚度為18μm/100μm/18μm的Cu/PI/Cu復合膜的一側進行光刻和濕法蝕刻。厚銅層的設計對于減少熱損耗和確保SEFM的電氣性能具有重要作用。而較厚的PI層有助于通過使銅的變形局域化來提高其延展性,從而增強恢復能力和抗疲勞能力。其次,另一層但具備不同圖案的薄膜(18μm/100μm/18μm厚)也通過光刻、濕法蝕刻、通孔沖孔和銅沉積技術進行制備。隨后,制備好的壓電元件翻轉并焊接到制備的層壓膜上,最后通過激光切割得到了可拉伸的島型網狀電路。研究還設計了連接的硅樹脂層,并利用SSSP技術對電路進行封裝以確保器件對人臉的適形。此外,有機無機復合結構可強化橋聯結構的延展性和穩定性;而具有纖細形貌的四柱(four-pillar)設計可使聲強均一并保證聲場總功率更大。

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圖2 SEFM的制備

三、SEFM的性能

通過有限元分析和實驗驗證了SEFM的機械、熱、壓電和超聲波特性。研究顯示,優異的機械性能主要是由于單側結構的設計和SSSP技術,即互連僅位于壓電元件的一側。與雙面結構相比,單面設計可使器件硬度與人類皮膚在同一個數量級,證明了單面設計的優越性。此外,與單一無機層(破壞應變僅有1.5%左右)相比,復合結構設計的破壞應變大于25%,因此可為器件提供強大的可拉伸性能。最后,通過使用內窺鏡共焦顯微鏡在不同皮膚深度檢測羅丹明標記的HA,動物皮膚實驗驗證了SEFM對加速HA釋放的效果。人類面部實驗證實,SEFM可將皮膚含水量提高20%,這也驗證了器件加速HA釋放的能力(圖3)。本研究的綜合結果表明,開發的SEFM在面部保健應用方面具有巨大潛力。

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圖3 SEFM實現HA的經皮給藥

結論

綜上所述,作者成功提出了一種可拉伸的電子口罩概念,它可同時滿足開篇所提到的三個要求,并且可以用作多功能的人類面部保健平臺。在這個平臺上,集成了含水量、彈性和粗糙度的納米/微傳感器以及光動力、超聲波、射頻、加熱等執行器,實現了信號監測和主動保健功能。不僅如此,超聲促滲功能組件(壓電陣列)在平臺上的集成還可以促進藥物遞送,表明所開發的SEFM在面部保健應用方面具有巨大潛力。


標簽:技術中心,今日頭條,生物化學,生物制藥
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