當(dāng)“電化學(xué)”遇上“藥物釋放系統(tǒng)”

背景介紹

圖1電化學(xué)與藥物釋放系統(tǒng)的交叉融合（圖片來源于網(wǎng)絡(luò)）。傳統(tǒng)的口服或注射給藥方式由于需要穿透人體內(nèi)的多種生物屏障，具有給藥方式復(fù)雜、給藥效率低、給藥量大，易造成生物毒性的缺點(diǎn)。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(xiàn)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(shí)現(xiàn)藥物釋放速率的控制，它們可以在一段時(shí)間內(nèi)以恒定的或不斷下降的速率釋放藥物，但其無法對個(gè)體差異作出響應(yīng)，對于部分慢性與神經(jīng)系統(tǒng)疾病，我們更希望能根據(jù)人體生理規(guī)律在特定位置進(jìn)行周期性、定制化給藥。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，研究者們開發(fā)出多種刺激響應(yīng)性藥物控釋系統(tǒng)，其中電化學(xué)作為一種藥物控釋或供能的方法，因其可編程、易操控、驅(qū)動(dòng)電壓小、響應(yīng)性快的優(yōu)勢，成為最受關(guān)注、最有希望應(yīng)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(xué)控制藥物釋放系統(tǒng)”最新研究進(jìn)展。根據(jù)藥物控釋機(jī)理，我們將從以下四個(gè)方面展開介紹。

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

電化學(xué)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(dǎo)電聚合物的藥物釋放系統(tǒng)，導(dǎo)電聚合物是一類具有單雙鍵交替共軛鏈結(jié)構(gòu)的聚合物。導(dǎo)電聚合物基藥物釋放系統(tǒng)是利用導(dǎo)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(xué)氧化還原控制的離子遷入、遷出實(shí)現(xiàn)藥物分子的可控釋放。根據(jù)藥物分子在溶液中的電荷性質(zhì)，電化學(xué)離子摻雜控制的藥物釋放系統(tǒng)又可分為形變驅(qū)動(dòng)的與靜電驅(qū)動(dòng)的藥物釋放系統(tǒng)（圖2(a)）。第一種控制方式是利用導(dǎo)電聚合物在氧化還原過程中離子和溶劑的遷入、遷出產(chǎn)生的體積變化，實(shí)現(xiàn)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(zhì)變化引起的、與其以靜電相互作用結(jié)合的藥物離子遷出的釋放過程。單純的導(dǎo)電聚合物控釋系統(tǒng)會(huì)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(dǎo)電聚合物修飾方法，例如通過在導(dǎo)電聚合物表面進(jìn)一步摻雜碳納米管、石墨烯、納米粒子等導(dǎo)電物質(zhì)，在提高載藥量的同時(shí)增強(qiáng)體系導(dǎo)電性，實(shí)現(xiàn)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(xué)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(xué)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(shí)現(xiàn)藥物定時(shí)釋放的優(yōu)勢，但其藥物載量小、無法實(shí)現(xiàn)長期多次給藥的特點(diǎn)，仍限制了其在某些慢性疾病與神經(jīng)系統(tǒng)疾病中的應(yīng)用。隨著電路電子學(xué)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(jī)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(shè)計(jì)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(yīng)等遠(yuǎn)程供電或自發(fā)電方式使微電極產(chǎn)生電流，利用電解水產(chǎn)生的氣泡使薄膜發(fā)生膨脹，推動(dòng)儲液器內(nèi)的藥物釋放。

電化學(xué)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(xué)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(shè)備由無線充電線圈、儲液器、鎂電極組成。裝置工作時(shí)，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(chǎn)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(gè)儲液器與能量接受器集成，可實(shí)現(xiàn)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(xué)現(xiàn)象控制的藥物釋放系統(tǒng)電化學(xué)反應(yīng)的過程中總是伴隨著電動(dòng)現(xiàn)象，利用電化學(xué)現(xiàn)象中電滲流和電泳效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)集監(jiān)測與給藥一體的透皮給藥和某些神經(jīng)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(yùn)動(dòng)的現(xiàn)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(tuán)電荷比的優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)高效電泳給藥的關(guān)鍵（圖4(a))。電滲流是在多孔介質(zhì)或毛細(xì)管兩端施加電壓時(shí)，由于微通道內(nèi)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(dòng)產(chǎn)生的流動(dòng)。利用電滲流現(xiàn)象，2021年報(bào)道了一種采用酶促生物電池供電、利用負(fù)電荷水凝膠修飾的多孔微針電極實(shí)現(xiàn)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(jié)近年來，隨著多種自供能與遠(yuǎn)程發(fā)電方式、電路電子學(xué)、智能材料的繁榮發(fā)展，電化學(xué)控制的藥物釋