當“電化學”遇上“藥物釋放系統(tǒng)”

背景介紹

圖1電化學與藥物釋放系統(tǒng)的交叉融合（圖片來源于網絡）。傳統(tǒng)的口服或注射給藥方式由于需要穿透人體內的多種生物屏障，具有給藥方式復雜、給藥效率低、給藥量大，易造成生物毒性的缺點。藥物釋放系統(tǒng)的開發(fā)可以有效解決傳統(tǒng)給藥方式遇到的一些問題，現有的市售藥物釋放系統(tǒng)大多是通過聚合物薄膜包裹藥片實現藥物釋放速率的控制，它們可以在一段時間內以恒定的或不斷下降的速率釋放藥物，但其無法對個體差異作出響應，對于部分慢性與神經系統(tǒng)疾病，我們更希望能根據人體生理規(guī)律在特定位置進行周期性、定制化給藥。為了實現這一目標，研究者們開發(fā)出多種刺激響應性藥物控釋系統(tǒng)，其中電化學作為一種藥物控釋或供能的方法，因其可編程、易操控、驅動電壓小、響應性快的優(yōu)勢，成為最受關注、最有希望應用于臨床的一種藥物控釋方法。接下來，讓我們一起了解下“電化學控制藥物釋放系統(tǒng)”最新研究進展。根據藥物控釋機理，我們將從以下四個方面展開介紹。

圖2(a)電化學離子摻雜控制的藥物釋放機理；(b)修飾后導電聚合物的藥物控釋。

電化學離子摻雜控制的藥物釋放系統(tǒng)這一類藥物釋放系統(tǒng)一般是基于導電聚合物的藥物釋放系統(tǒng)，導電聚合物是一類具有單雙鍵交替共軛鏈結構的聚合物。導電聚合物基藥物釋放系統(tǒng)是利用導電聚合物的摻雜特性將藥物分子作為摻雜劑遷入聚合物鏈中，在施加電壓后，通過電化學氧化還原控制的離子遷入、遷出實現藥物分子的可控釋放。根據藥物分子在溶液中的電荷性質，電化學離子摻雜控制的藥物釋放系統(tǒng)又可分為形變驅動的與靜電驅動的藥物釋放系統(tǒng)（圖2(a)）。第一種控制方式是利用導電聚合物在氧化還原過程中離子和溶劑的遷入、遷出產生的體積變化，實現中性或弱電性藥物的可控釋放；第二種控制方式則是利用氧化還原過程中，聚合物主鏈電荷性質變化引起的、與其以靜電相互作用結合的藥物離子遷出的釋放過程。單純的導電聚合物控釋系統(tǒng)會面臨載藥種類受限、載藥量過低的問題，針對這一問題，近幾年，研究者又開發(fā)出了多種導電聚合物修飾方法，例如通過在導電聚合物表面進一步摻雜碳納米管、石墨烯、納米粒子等導電物質，在提高載藥量的同時增強體系導電性，實現高通量的藥物控釋（圖2(b)）。

圖3(a)電解水控制的藥物釋放系統(tǒng)；(b)電化學縫隙腐蝕控制的藥物釋放系統(tǒng)。

電解水控制的藥物釋放系統(tǒng)上面提到的電化學離子摻雜控制的藥物釋放系統(tǒng)多是基于共軛聚合物及其修飾物的系統(tǒng)，雖然其具有體積小并且在一定程度上實現藥物定時釋放的優(yōu)勢，但其藥物載量小、無法實現長期多次給藥的特點，仍限制了其在某些慢性疾病與神經系統(tǒng)疾病中的應用。隨著電路電子學的繁榮發(fā)展，研究者們開發(fā)出了一類高度可控的基于微機電系統(tǒng)的可植入藥物釋放裝置，電解水控制的藥物釋放系統(tǒng)由于原理簡單、設計方便而被廣泛研究。如圖3(a)所示，此類藥物釋放系統(tǒng)一般由電源發(fā)生裝置、儲液器、可變形薄膜與微電極組成。通過電磁感應等遠程供電或自發(fā)電方式使微電極產生電流，利用電解水產生的氣泡使薄膜發(fā)生膨脹，推動儲液器內的藥物釋放。

電化學縫隙腐蝕控制的藥物釋放系統(tǒng)此外，研究者又開發(fā)出了電化學縫隙腐蝕控制的藥物釋放系統(tǒng)（圖3(b))。2020年，開發(fā)了一種無線供電的生物可吸收裝置，該設備由無線充電線圈、儲液器、鎂電極組成。裝置工作時，由外部的發(fā)射線圈發(fā)生一定頻率的電磁波，使得鎂電極間產生偏壓，作為儲液器閥門的陽極鎂表面發(fā)生縫隙腐蝕，使藥物釋放出來，通過將多個儲液器與能量接受器集成，可實現藥物的多次釋放。

圖4(a)電泳控制的藥物釋放系統(tǒng)；(b)電滲流控制的藥物釋放系統(tǒng)。

電化學現象控制的藥物釋放系統(tǒng)電化學反應的過程中總是伴隨著電動現象，利用電化學現象中電滲流和電泳效應可以實現集監(jiān)測與給藥一體的透皮給藥和某些神經系統(tǒng)疾病的植入式給藥。電泳是帶電顆粒在電場下沿著極性相反的電極運動的現象，電泳給藥裝置主要由電極、離子交換膜、藥物離子組成，其中離子交換膜以及藥物與固定基團電荷比的優(yōu)化是實現高效電泳給藥的關鍵（圖4(a))。電滲流是在多孔介質或毛細管兩端施加電壓時，由于微通道內部雙電層的存在，使得帶有反電荷的溶劑受庫侖力作用定向移動產生的流動。利用電滲流現象，2021年報道了一種采用酶促生物電池供電、利用負電荷水凝膠修飾的多孔微針電極實現的集組織液提取監(jiān)測與藥物釋放為一體的高效電滲流給藥裝置（圖4(b))。

總結近年來，隨著多種自供能與遠程發(fā)電方式、電路電子學、智能材料的繁榮發(fā)展，電化學控制的藥物釋