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胃肠道(GI)疾病普遍存在且难以治疗，其困难部分源于常用药物治疗的副作用。改善患者预后的一种潜在方法是使用局部药物疗法来隔离特定位置或器官系统的治疗，从而增加局部药物浓度并减少不良副作用。
基于此，来自美国马里兰大学Reza Ghodssi团队开发了一种由外部磁铁触发的可摄入驱动装置能够治疗肠道中的患病部位。开发的胶囊被动地穿过胃肠道并在预定的患病区域部署微针。这种可摄入技术可以显著提高各种药物治疗的疗效和耐受性，支持新的、更有效的胃肠道疾病管理方案。
相关研究成果以“Magnetically triggered ingestible capsule for localized microneedle drug delivery”为题于2024年7月2日发表在《Device》上。
图1 胶囊工作原理描述
1.磁力触发
在本文中，作者展示了一种磁控悬臂执行器胶囊（图1），它使用柔性聚醚醚酮(PEEK)悬臂将药物有效载荷输送到胃肠道中的特定位置。该系统由一个简单的电路触发，该电路由一个纽扣电池与磁簧开关和电阻加热元件串联组成。当暴露于高于~0.5 mT的磁场时，磁簧开关关闭，允许电流通过加热器，引起焦耳加热并熔化固定悬臂的粘合乙烯醋酸乙烯酯(EVA)层。悬臂展开后，载有药物的微针插入组织，悬臂脱离胶囊。悬臂展开迅速（<3 秒），PEEK表现出出色的抗蠕变性，可延长保质期。此外，驱动系统紧凑且可定制的特性使其能够进一步多路复用以针对多个目标点。
药物释放胶囊的触发机制依赖于磁簧开关的状态来启动悬臂驱动。图2B显示了由含有惰性气体的玻璃封装、铁磁簧片和伸出玻璃封装的引线组成的磁簧开关。未受干扰的打开状态（左）和极化闭合状态（右）分别显示两个簧片的间隙和接触。在磁场中，悬浮在玻璃封装中的两个铁磁簧片会产生暂时的磁极化，相互吸引并形成电接触。
图2 设计概述和磁触发机制
2.悬臂的力学分析
图2C显示了加热器和悬臂的放大视图，其中可以看到悬臂的固定端位于悬臂模块的悬垂部分下方，从而能够在压缩期间固定并在部署后分离。图2D显示了连接有载药微针的悬臂。悬臂执行器依靠弯曲悬臂中的内部应力以适当的力快速部署。为了评估响应时间和力动力学，将悬臂部署到称重传感器中进行了机械测试。由于以下材料具有生物相容性和已知的整体机械性能（即高模量和抗应力松弛性），因此选择它们进行评估：PEEK、醋酸纤维素(AC)、聚酯(PES)、聚碳酸酯 (PC) 和超高分子量聚乙烯 (UHMWPE)。图3A-3F显示了各种悬臂材料和厚度的机械测试结果。在所有情况下，均使用10毫克的检验质量来近似微针阵列的重量和惯性贡献，而不会因微针结构的阻尼而影响结果。由于其高模量和抗应力松弛性，PEEK的表现优于其他材料（PC、PES和AC），较厚的悬臂表现出进一步的松弛。因此，PEEK是此应用的首选材料。
图3 悬臂的力学分析
3.电阻加热器的优化
电阻加热元件是决定悬臂执行器部署时间的关键部件，它通过熔化将悬臂保持在弯曲状态的 EVA 粘合剂来决定部署时间。为此，对加热器几何形状和功率限制的案例进行了进一步评估，以优化熔化时间、效率和可靠性。加热器设计有六种不同的变体，均具有相同的比例几何形状，但尺寸不同，如图4D所示。图4A显示了2.5毫米OD加热器的示例，当时EVA粘合剂已熔化，图4B显示了其通过使用导电银环氧树脂进行电连接与胶囊的悬臂模块集成之后的示例。由于不同尺寸的加热器几何形状相同，因此迹线长度(L)与迹线宽度(W)的比率也相同，因此对于具有相同金沉积厚度的每个变体，预计电阻相同。图4C显示了理论面积功率密度的图。在电阻相当的情况下，较小的加热器在较小的面积上耗散相同数量的能量，从而导致更高的面积功率密度和更高的加热器表面平衡温度。
为了确定可靠性和部署时间的总体趋势，在工作台上对加热器进行了评估。结果表明，实现在1秒内部署并最小化功耗的理想加热器配置是尺寸介于1至2.5毫米之间且迹线厚度为≤80纳米。考虑到平均肠道平移速度为1.4厘米/分钟，3秒内部署支持在肠道内精确的亚毫米级输送定位。
图4 电阻加热元件的优化
4.药物输送的体外验证
为了评估局部药物输送胶囊在现实环境中的性能，将致动器浸没在磷酸盐缓冲盐水(PBS)溶液和猪离体肠道环境中。图5A显示了胶囊在浸没时进行测试，以验证其在肠道等水性环境中操作的弹性。将胶囊放入烧杯中并浸没，然后使用手持式NdFeB磁铁触发悬臂的驱动。在1小时内没有观察到溶液渗透胶囊壳，悬臂致动器在将磁铁放入胶囊10厘米范围内后不到3秒内展开。完全浸没旨在模拟完全浸没在肠道中的极端情况，因为胶囊在通过食道、胃和小肠时可能会遇到液体和气体介质的组合。
使用高速摄像机记录微针穿透肠道组织的情况，以更好地了解部署过程中驱动的悬臂和微针与肠道组织的相互作用（图5B）。在图5Bi（t = 0毫秒）中，连接微针的悬臂处于弯曲状态并连接到加热器上。4毫秒后（图5Bii），悬臂几乎完全部署，显示之前将悬臂保持在弯曲状态的EVA粘合剂开始拉丝。总共16毫秒后，悬臂完全展开，载药微针（图5Biii）已穿透组织表面。
图5 在体外胃肠道模拟器中部署集成系统
综上，本文展示了使用嵌入致动器的可摄取电子胶囊来实现载药微针的局部输送。通过熔化低熔点粘合剂实现快速磁触发，悬臂致动器的快速部署有助于实现可靠的局部输送。该设备将使先进的药物输送方法的研究和临床实施成为可能，从而更有效地治疗GI疾病，同时将副作用降至最低。
文章来源：
https://doi.org/10.1016/j.device.2024.100438
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