2023年2月7日，著名期刊《Advanced Functional Materials》以Research Article形式发表了北航生物与医学工程学院、生物医学工程高精尖创新中心、生物力学与力生物学教育部重点实验室樊瑜波教授课题组的最新研究成果“Flexible Transient Bioelectronic System Enables Multifunctional Active-Controlled Drug Delivery”。2020级博士研究生刘帅印为该论文的第一作者，牛旭锋教授和樊瑜波教授为论文的共同通讯作者，博士生贾真珍和杨丰合、本科生宁天勤、以及顾雪楠副教授为论文的共同完成人，北京航空航天大学为该论文的唯一完成单位。
樊瑜波教授团队一直致力于可降解内植物及可主动控制的多功能药物递送系统的研究。在前期研究工作的基础上（Composites Part B: Engineering, 2023, 250: 110430; Advanced Healthcare Materials, 2022, 11: 2102180; ACS Applied Materials & Interfaces, 2019, 11: 23546-23557），团队最近报道了一种可生物降解的多功能主动控制药物递送系统。该装置由可降解金属镁和聚乳酸-羟基乙酸共聚物（PLGA）、聚乳酸（PLA）封装薄膜组成。其中镁箔既是载药系统的阀门对储药室内的药物起到封闭作用同时又成为电路阳极，。控制器的电刺激在阳极镁阀门和阴极电极之间产生偏压，使镁阀门表面发生不可逆的法拉第反应（Mg → Mg2+ + 2e−)。这种反应在镁阀门与聚乳酸储药室交界处表现为剧烈的缝隙腐蚀，并最终腐蚀降解贯穿阀门使其对储药室的封闭作用失效，释放储药室内的药物。研究结果表明，外加电压、阀门厚度和阀门面积对阀门的打开时间具有显著影响，阀门面积还可以显著影响药物的释放速率。通过控制以上参数，该系统能够对药物释放行为进行精准控制。为了实现多功能药物递送，该团队设计了串联式阀门，使镁阀门沿Z轴方向对齐，与PLA一起构建成多个腔室。储药室内搭载相同的药物时该系统能够进行脉冲式药物释放；储药室内搭载不同的药物时该系统则能够进行顺序式药物释放。此外，PLGA内搭载的药物会随着降解缓慢释放，与阀门控制的快速药物释放一同构成双时间线药物递送功能。整个系统的可生物降解性使其潜在副作用降到最低。该装置在大鼠身上的应用证实了其在体内进行脉冲式给药的能力。细胞和体外血管生物反应器实验证明了系统具有良好的生物相容性和双时间线给药能力。这种多功能的精准给药系统将在伴有并发症的慢性疾病治疗中发挥重要作用。
植入式给药系统在局部按需给药和治疗中发挥着重要作用。结合材料和结构的设计，现有的药物递送系统可以满足各种病理环境下的给药需求，如皮下、肌肉、血管等。然而，目前大多数药物递送系统只能被动释放药物，只有当材料降解或药物与材料的结合键被破坏时，药物才会被释放。被动释放只能通过材料与环境的相互作用实现药物的泄漏和扩散。它们不能精确控制药物的释放时间和释放速率。并且，大多数药物递送系统的功能单一，不能针对复杂的病理环境进行双重或多重给药。此外，现有的大多数药物递送装置都是基于不可降解材料，这些材料在药物释放后不能被机体完全吸收。因此，理想的主动控制给药装置应该具有如下特征：(1) 保证药物零泄漏，药物释放后能在体内完全降解；(2) 可以根据需要精准调控药物释放行为；(3) 具有广谱载药能力和多功能递送能力；(4) 满足不同病理环境的植入需要。
为了解决以上问题，该文提出一种可生物降解的主动控制药物递送系统，与现有的研究成果相比，该系统的串联式阀门结构简化了一对一的控制器/电极到阀门的控制方式，使其能够通过一个控制单元精确控制多个药物储存室的开启。控制器的减少和腔室的纵向排列结构进一步减少了系统的面积和体积，使该系统能够进行多功能的药物递送，同时兼具柔性、可穿戴性和微型化特征。该系统不仅可用于皮肤等大尺寸组织/器官的药物递送，也可用于血管等小尺寸组织/器官的药物递送。
此外，有线电控使其能够更灵活、更精确地控制药物释放，减少组织对信号的屏蔽或遮挡，使系统不仅能按计划给药，还能随着疾病的变化实时调整药物释放行为。该系统具有个性化医疗的能力，能够应对不同患者的药物递送需求。在兼顾以上性能的同时，该系统还具有更多的药物递送模式。通过改变药物储存室的数量和药物的顺序，这种系统可以实现同一药物的脉冲式释放，不同药物的顺序释放，以及长期和短期双时间线药物释放，以解决复杂的临床给药需求。该主动控制系统的多功能性可以减少口服多种药物或植入多个药物递送装置的副作用，这对治疗伴有并发症的复杂疾病具有重要意义。
多功能药物递送系统的结构及其应用
本项研究工作得到了国家自然科学基金（项目编号：12272032、11827803、U20A20390）、国家重点研发计划（项目编号：2020YFC0122204）和高等学校学科创新引智计划（111计划）（项目编号：B13003）等项目的支持。
原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adfm.202215034