【摘要】

無線按需給藥系統利用外源刺激——聲波、電場、磁場和

電磁輻射

——來觸發藥物載體。該方法允許以受控釋放曲線和最小的脫靶效應遞送藥物。電子和材料工程的最新進展導致了為特定應用設計的複雜系統的開發。最近，麻省理工學院Seyed M。 Mirvakili博士和Robert Langer三院院士團隊回顧了無線按需給藥系統的發展。團隊也研究了由電場、磁場或電磁輻射觸發的系統的工作機制、應用、優勢和侷限性。團隊還為此類系統的開發提供設計指南，包括用於評估不同智慧給藥系統實用性的關鍵指標。相關論文以題為Wireless on-demand drug delivery發表在《Nature Electronics》上。

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【圖文解析】

電場

電場可以由靜電荷產生，如平行板電容器，或隨時間變化的磁場，如感應加熱中的焦耳加熱。它們已被用於具有不同治療效果的醫學中，例如驅動藥物庫進行體內藥物遞送，透過電穿孔和離子匯入增強藥物分子轉運，甚至直接治療癌症腫瘤，稱為腫瘤治療場（TTF）（圖 1a）。

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圖 1：DDS 和電場。

驅動的藥庫

電場已被用於激發刺激響應材料，例如導電聚合物，以釋放治療

有效載荷

。導電聚合物是離子和電子導電材料，可在電解質中電化學氧化/還原時產生體積膨脹/收縮。在用電壓激發時，離子插入或排出分別導致聚合物結構的體積膨脹或收縮。電化學還原/氧化使摻雜的藥物分子能夠受控釋放。負載藥物（例如胰島素）的電響應凝膠如聚（二甲基氨基丙基丙烯醯胺）（PDMAPAA）也已被證明在受到外部刺激時釋放貨物外加電場。類似地，由殼聚糖-接枝物-聚苯胺共聚物和負載有阿莫西林/布洛芬的氧化葡聚糖製備的水凝膠顯示出由施加的電壓設定的可控釋放速率。在這些系統中，施加的電場還驅動介質中的帶電分子（電泳），從而提高整體功效。

透過利用導電聚合物的驅動特性，已經制造出微/

奈米

球來開啟和關閉由陽極氧化鋁膜製成的藥物儲庫的奈米孔（圖 1b）。與摻雜藥物分子的導電聚合物和水凝膠不同，該技術能夠從大型藥物儲存系統中快速脈衝釋放藥物。摻雜有藥物分子的導電聚合物—以奈米儲存系統的形式—也已被證明可以與電場一起工作（圖 1c）。這些奈米 DDS 被皮下注射並在注射前透過將它們與溫度敏感的水凝膠混合來固定在組織中。為了能夠輸送更大的劑量，可以在體內施用薄膜形式的大型儲庫系統，並在耗盡時移除

磁場

靜態和低頻磁場

靜態和低頻磁場可以由磁鐵或電磁鐵產生。基本電磁鐵由一個帶磁芯的線圈和一個直流電組成。電源供應。磁場強度與透過線圈的電流成線性比例。靜態磁場已被用於使軟支架機械變形，滲透有鐵磁材料，以排出嵌入其結構中的治療性貨物。該技術已被證明可以在體外和體內按需有效釋放治療有效載荷（圖 2a）。然而，從身體內部或外部引起的任何機械變形都可能意外釋放內容。為了解決這個問題，脂質體（裝有化療方案）被設計成當暴露於低頻（10 kHz）交變磁場時按需釋放藥物49。這種工程結構由附著在脂質體上的磁性奈米顆粒鏈組成。在 10 kHz 的磁場下，來自鏈的振動會破壞膜並將藥物釋放到腫瘤中（圖 2b）。

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圖 2：DDS 和磁場。a，DDS 的靜態磁場激發。上圖：當受到~38 A m−2 的垂直磁場梯度時，奈米多孔鐵凝膠圓柱體的高度降低了~5%。e，當溫度 （T） 低於 LCST 時，水凝膠會膨脹，而高於 LCST 時，它會收縮並釋放貨物。f，建議的膜橫截面示意圖，顯示奈米凝膠顆粒（藍色）、氧化鐵奈米顆粒（黑色）和乙基纖維素基質（淺棕色）。

高頻磁場

已採用多種方法在藥物輸送和熱療中利用高頻磁場進行腫瘤消融 最有前途的設計之一是使用 MNP 從微/奈米空心膠囊（例如脂質體）或固體顆粒（例如， 聚合物基）。例如，嵌入載藥可生物降解聚合物（如聚乳酸-乙醇酸共聚物）（PLGA）中的 MNP（如 Fe3O4、γ-Fe2O3）已被證明在交變磁場激發時會觸發和釋放貨物。場（100 kHz 到 200 kHz）。加熱時，聚合物網路會發生結構重排，從而增加藥物的擴散速率（圖 2d）。使用這種技術，已經證明了脈衝釋放曲線。

已經提出了另一種設計，該設計採用低臨界溶液溫度 （LCST） 水凝膠（例如，聚（N-異丙基丙烯醯胺）（pNIPAM））的熱觸發，由交聯的長聚合物鏈網路製成，以促進藥物釋放。LCST 水凝膠在其聚合物鏈中具有疏水和親水鏈段的組合。在低於 LCST 的溫度下，水凝膠由於與水的親水相互作用占主導地位而膨脹並吸收藥物。然而，在高於 LCST 的溫度下，與水的氫鍵被破壞，聚合物鏈之間的疏水相互作用占主導地位 ，導致水凝膠的消溶脹和貨物的釋放（圖 2e）。該技術已被證明可按需“突發”釋放用於幹細胞增殖的藥物和生物活性蛋白

電磁輻射

電場和磁場的同步振盪產生電磁波（或它們的量子、光子）。 電磁輻射的波長範圍很廣，包括

無線電波

和微波、紅外線、可見光、紫外線、X 射線和伽馬射線（圖 3）。這些頻段為 DDS 和其他醫療裝置提供了獨特的特性，其中一些尚未被探索。

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圖 3：電磁輻射譜。

無線電波和微波

射頻波是由導體中帶電粒子的加速產生的。無線電波的頻譜範圍低至 30 Hz 至 300 GHz，對應的波長分別為 10，000 km 至 1 mm。1 GHz 到 100 GHz 的頻譜通常被定義為微波。聯邦通訊委員會批准的醫療植入通訊服務 （MICS）下有兩個頻段用於醫療植入物和身體佩戴的醫療裝置：401-457 MHz 頻段，總頻寬為 29 MHz，以及 2，360-2，400 MHz 頻段，專用於醫療體域網 （MBAN）（圖 3）。射頻波已透過兩種通用方法在 DDS 中使用。第一個涉及使用 RF 波進行通訊和為 DDS 供電，第二個使用 RF 波來激勵 DDS（圖 4a）。

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圖 4：DDS 和電磁場（無線電波）。

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圖 5：作為面板組織中頻率函式的光穿透深度示意圖。

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圖 6：DDS 和電磁場（紅外線到gamma伽馬）。

【展望】

藥物輸送領域是跨學科的，包括高分子化學、醫學、材料科學、生物學和越來越多的電氣工程。正如這裡所強調的，電氣工程可以在智慧和功能性 DDS 的設計中發揮重要作用，考慮到奈米電子學的最新進展，預計未來幾年電子產品將越來越多地整合到智慧 DDS 中。電子驅動的、完全可控的 DDS 可以提供對釋放曲線以及釋放時間的動態控制。例如，這樣的系統可以使化療方案的釋放時間間隔與患者的晝夜節律同步。為DDS新增感測功能還可能實現全自動 DDS，它可以感知血液含量，檢測感興趣的引數（例如糖）的變化，並觸發系統釋放適當的有效載荷。DDS 將治療有效載荷輸送到目標部位的功能在評估療效方面非常重要，但藥物依從性和依從性是影響整體治療效果的其他因素。開發可以長期（包括終生）在體內駐留的低成本和高功能DDS可以增強公共健康，並有助於降低長期的醫療保健成本。使用數字和電子系統是實現這些目標的最有前途的方法之一。

參考文獻：

doi。org/10。1038/s41928-021-00614-9