透皮给药在医疗实践中具有重要的应用价值。然而，用户能否坚持长期重复给药是一个巨大的挑战。此外，疾病的发展是动态的、不可预测的，这就需要一种能够对药物治疗进行实时主动控制的方法，以确保医疗的精确性和个性化。
据麦姆斯咨询报道，近期，来自美国北卡罗来纳大学教堂山分校（University of North Carolina at Chapel Hill）的研究人员开发了一种按需给药贴片，可以通过数字化控制来实现空间和时间上的精确给药。这种时空按需贴片（SOP）采用高纵横比（3 ~ 8）的生物可吸收微针（MN）作为药物载体，并使用薄金层（厚度为150 nm）作为释放门，该释放门可以通过微小的电触发器（2.5 V，30 s）进行数字化控制。这种设计可以在单个微针水平上实现对药物释放的完全主动控制，其空间分辨率小于1 mm²，与大多数现有的给药装置相比具有更强大的功能。这种空间分辨率使其能够在1 cm²的薄可穿戴贴片中负载超过20个剂量的药物，确保用户在长时间重复药物治疗过程中的舒适度和便捷性。此外，这种按需给药贴片的制造工艺与微制造工艺兼容，可以将空间分辨率进一步降低到微米级。相关研究成果以“Digital automation of transdermal drug delivery with high spatiotemporal resolution”为题发表在Nature Communications期刊上。
图1 用于无线、主动控制给药的时空按需贴片（SOP）
时空按需贴片（SOP）的设计
如图1a所示，研究人员设计的时空按需贴片由两个主要组件构成：（i）负载药物的微针贴片，贴片上有电化学触发金属层（金）作为给药界面；（ii）近场通信（NFC）模块，用于无线控制触发信号，以控制药物释放的位置和时间。这两种组件通过柔性印刷电路板（PCB）中相互连接的线路集成在一起，形成一个完全无线的可穿戴给药系统。
图2 通过近场通信实现时空按需贴片的无线释药控制
时空按需贴片（SOP）的制造
这种时空按需贴片的制造采用简单的溶液模塑法，具有低成本和尺寸可定制的优势。利用激光烧蚀技术，研究人员可以高效、高质量地制造出尺寸为0.6 ~ 3 mm的微针，以实现对多种药物（褪黑素）的可控有效载荷。此外，利用溶液模具工艺还可以大规模、高质量地生产载药聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）微针。同时，该工艺具有良好的兼容性，可以集成电子模块，以实现给药的数字化和自动化。
时空按需贴片（SOP）的工作机制
这种时空按需贴片实现高精度给药的整体工作机制如图1c ~ 1d所示。电触发的金保护层缝隙腐蚀是启动特定时空按需微针贴片组合释放药物的开关。时空按需贴片在皮肤上部署后，微针处于备用状态，药物完全受到金层的保护。一旦对其施加直流（DC）电触发（2.2 ~ 3 V），在被触发的微针上就会产生电化学缝隙腐蚀，使其从备用模式转变为释放模式。在短时间内（施加2.5 V电压时小于30 s），微针上的金保护层完全溶解，微针暴露在生物环境中，实现药物释放。集成的兼容性微控制器使这种时空按需贴片能够在精确的时间点操控电触发器，以实现精确给药。此外，通过微细加工工艺将金层图案化，时空按需贴片可以实现药物的高空间分辨率（~ 1 mm²）释放。时空按需贴片中还集成了一个内置阳极，从而构成了用于体内电化学缝隙腐蚀的电路。
图3 药物释放的时空控制表征
时空按需贴片（SOP）的体内外验证
基于荧光染料的台式实验和基于颅内注射的体内研究都表明，时空按需贴片作为一种通用的、完全无线的、可穿戴的个性化慢性给药平台，具有很高的应用潜力，可以提高药物疗效和用户依从性。此外，基于颅内注射的体内研究表明，时空按需贴片在神经治疗和调节方面具有潜在的效用。
图4 时空按需贴片（SOP）的体内验证实验
综上所述，时空按需贴片的高时空分辨率和按需药物释放特性使其成为模型动物脑研究的先进工具，特别是在研究神经回路映射和神经活动与行为之间的因果关系方面。此外，时空按需贴片具有的能够将治疗药物以特定的顺序、主动地递送到与神经系统疾病相关的特定大脑区域的能力能够加深我们对其潜在发病机制的理解，从而促进对包括帕金森病、癫痫、抑郁症和阿尔茨海默病在内疾病的更有针对性的治疗方法的发展。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-023-44532-0
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