利用可穿戴設備透過皮膚進行給藥(藥物貼敷)的醫療方法有著悠久的歷史,近年也出現了基于尼古丁替代原理的戒煙貼等產品,然而,這些貼敷類給藥技術最大的劣勢是給藥劑量難以控制且使用時間短:初始貼敷后藥物劑量過高,然而隨著貼敷時間的延長,給藥劑量也很快下降,藥物劑量不斷變化顯然不利于對相應病情的控制。

可穿戴式微流控芯片的出現給透皮藥物遞送提供了新方法,即通過可穿戴的儲藥裝置結合微針或者微針陣列穿刺皮膚送藥,由于微針的外形長度精確可控,可以在穿刺皮膚時做到刺透皮膚表層的同時不觸及神經層,實現無痛穿刺和精準用量送藥。通過微針陣列與微流控芯片的配合,還能做到以微米甚至納米顆粒包裹藥物的形式進行送藥。圖1展示了各種不同種類的微針,其中空造型可實現穿刺和送藥的目的,這些微針采用了金屬、硅、聚合物等材料,其加工方法也都是從微機電系統(MEMS)和微流控系統的加工方法中繼承和發展的。鑒于中空造型的微針陣列的加工比較困難,實際使用過程中也可以將藥物涂在實心微針陣列上進行穿刺后緩慢釋放藥物或者使用可以生物降解的微針陣列。

圖1不同種類的微針。(A)金屬錐形針(B)中心偏置的火山形針(C)城堡形狀的針頭(D)鋸齒形的針頭

圖2展示了一種簡單易行的可穿戴式微流控藥物釋放裝置,首先將納米顆粒形態的藥物固定在凝膠中,然后將凝膠裝載在柔軟材質的微流控芯片基片上,并添加一層微針陣列。當需要用藥時,通過手指彎曲時的張力作用微針刺入皮膚,同時壓迫凝膠,釋放含有藥物的納米顆粒,達到送藥的目的。作者聲稱這種可穿戴微流控藥物釋放裝置可以用來釋放抗炎、止痛等藥物,與血糖檢測信號結合,還可以用于精準釋放胰島素,調節血糖含量。

圖2可穿戴式微流控藥物釋放裝置。(A)內置藥物的可穿戴式微流控芯片,通過手指的彎曲完成藥物釋放(B)內置藥物的可穿戴芯片與微針陣列結合

可穿戴式微流控芯片的研究橫跨了多個學科領域,包括電子學、材料科學、生物學以及分析化學,這些學科的每一步發展都可能會對可穿戴式微流控芯片的進步產生積極作用。盡管經過了十余年的發展,可穿戴式微流控芯片還處在初級的發展階段,距離大規模的商業化應用還有很長距離。未來可穿戴微流控芯片的發展可能從以下幾個方面取得突破:

(1) 檢測的長期性和持久性

目前的各類可穿戴微流控芯片對汗液、唾液等的檢測絕大部分都是一次性使用的,有效監測時間從幾十分鐘到幾小時不等。這是因為微流控芯片采集體液檢測后無法排出,檢測樣品堆積,導致檢測芯片無法循環使用。未來的研究中可以探究各類體液采集后的排出機制,甚至微流控芯片可以配備自我沖洗結構,以利于長期使用。

(2) 佩戴的舒適性

現有研究中,可穿戴液滴微流控芯片的佩戴還很不舒適,主要原因是操作中將體液采集、分析、傳輸及電源等做成了多個模塊,模塊之間用管道和導線相連,佩戴不便。最近興起的“紋身冶形式的可穿戴微流控芯片給了我們新的啟示,可以將體液收集、檢測、無線傳輸盡量整合在一塊面積較小的柔性微流控芯片上,與皮膚貼合后舒適度會大大增加。同時,從佩戴舒適性的角度考慮,對電源的選擇也應盡量小型化,甚至可以利用MEMS系統中的能量回收(Energyharvesting)的概念,利用生活中人體自身運動產生的能量進行供電。

(3) 檢測手段的多樣性

目前由于檢測皮膚pH值、鉀/鈉離子等的可穿戴微流控芯片使用的還是基于選擇性離子電極或選擇性離子薄膜的電化學檢測方法,使用中有著需要頻繁校準和信號漂移的問題。預計未來會有越來越多的研究者將運用碳納米管和石墨烯等技術改進這兩種電化學檢測方法。還可以預見,伴隨著生物傳感器的發展,生物傳感器未來必將被使用在可穿戴微流控芯片中。

(4) 檢測與藥物輸送的整合

可穿戴式微流控芯片在生命特征檢測和藥物輸送這兩方面的應用,很容易聯想到檢測和藥物輸送這兩個過程有著整合的潛力,即使用采樣檢測的結果作為藥物輸送的參考條件,制成集檢測和藥物輸送功能于一體的可穿戴式微流控芯片。可以預見,在這種具有綜合功能的可穿戴式微流控芯片大規模推廣應用之前,還需要解決穩定性、安全性、能量供給、制作成本等一系列的問題。

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

（文章節選自： 可穿戴式微流控芯片在體液檢測和藥物遞送中的研究進展 作者：范一強 高 峰 王 玫 莊 儉 唐 剛* 張亞軍 科學網科學網轉載僅供參考學習及傳遞有用信息，版權歸原作者所有，如侵犯權益，請聯系刪除）