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深圳大学&香港中文npj Flex Electron:可穿戴超声微针贴片用于痛风性关节炎的按需与持续治疗

2026-05-20 08:51:47

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成果介绍

痛风性关节炎的临床管理面临急性发作需快速给药与慢性期需持续治疗的双重挑战，传统微针透皮给药系统难以实现按需调控与深层组织递送。

为此，本研究提出一种全集成可穿戴超声微针贴片系统，将柔性可拉伸超声换能器与蓝牙可编程超声驱动器相结合，通过手机App精准控制药物释放速率：高功率下实现10分钟内快速释放，低功率下实现长达50小时的持续释放。超声诱导的局部声流效应显著增强药物在皮肤深层的渗透。该系统在急性痛风模型中快速缓解炎症与肿胀，在慢性模型中有效抑制骨质侵蚀，实现了个性化、精准化的痛风全病程管理，为可穿戴透皮治疗平台提供了新范式。

图文导读

图1：系统设计与工作机制

a. 全集成可穿戴超声微针贴片的结构组成：医用PU基底膜、柔性超声换能器、微针阵列、便携式超声驱动板、蓝牙连接手机。

b. 电路控制原理图：MCU接收蓝牙指令，通过PWM调节MOSFET开关，精确控制超声输出。c. 治疗机制示意图：超声刺激下，药物从微针释放并借助声流效应深入关节腔，抑制NLRP3炎症小体激活与炎症因子表达。d. 双模式释放示意图：高功率命令→快速释放；低功率命令→缓慢持续释放。

图2：超声微针贴片的表征

a–b. 微针阵列与PZT-5H压电单元的显微图像与结构示意图。c. 力学测试：微针断裂力（1.2 N）远高于皮肤穿刺力（0.5 N）。d–e. 压电单元的光学图像与阻抗谱（共振频率1.43 MHz）。f–i. COMSOL仿真：声压分布与声流效应模拟，显示微针尖端产生定向声流。j–k. 贴片在手指伸展与弯曲状态下的贴合性测试。l–m. 拉伸性能测试：可拉伸30%，重复拉伸稳定性良好。n–o. 不同曲率与拉伸程度下的阻抗谱变化，显示结构稳定性。p. 红外热成像：工作10分钟内温度稳定，安全性良好。

图3：体外可编程药物释放a–c. 在琼脂凝胶中模拟与实验验证染料释放过程。d–e. 超声刺激显著增强染料扩散深度与累积释放量。f. 不同超声功率下的累积释放曲线。g. 脉冲式释放曲线，展示可编程性。h–i. 高功率下秋水仙碱快速释放（<10 min），低功率下持续释放（>50 h）。

图4：离体与在体透皮递送a–d. 离体皮肤切片荧光图像：超声刺激下染料渗透深度与强度显著增强。e–g. 微针表面荧光衰减曲线：高功率下染料释放更快。h–j. 小动物活体成像：高功率下染料扩散范围更广，荧光强度更高。

图5：急性与慢性痛风模型治疗a–g. 急性痛风模型：

高功率超声刺激下，关节肿胀显著减轻（3小时消退20%，24小时消退90%）。
炎症因子（IL-1β、TNF-α、IL-8）显著下降。
H&E染色显示滑膜水肿与炎症细胞浸润减少。
口服对比组：血浆药物浓度高但关节腔浓度低，抗炎效果有限。h–m. 慢性痛风模型：
低功率超声持续给药28天，显著抑制骨侵蚀。
Micro-CT显示：骨密度（BMD）、骨小梁数量（Tb.N）、骨体积分数（BV/TV）显著高于未治疗组。
主要器官H&E染色未见毒性损伤。

结论与展望

本研究成功开发了一种全集成可穿戴超声微针贴片系统，通过柔性超声换能器与可编程驱动板的协同设计，实现了对痛风性关节炎的按需快速给药与长期持续治疗。该系统克服了传统微针在释放控制上的局限，具备良好的皮肤贴合性、生物相容性与安全性。动物实验验证其在急性与慢性痛风模型中的显著疗效。未来计划集成传感器模块，构建闭环智能调控平台，实现基于生理信号的实时、自适应药物释放，为个性化精准医疗提供新工具。