基于SU-8微流道的SAW器件制备实现药物雾化

基于SU-8微流道的SAW器件制备实现药物雾化

据麦姆斯咨询报道，来自哈尔滨工业大学、深圳职业技术学院和深圳市人民医院的科研团队开发出一款使用表面声波（SAW）的替代雾化器平台。他们证明了SAW雾化可以产生合适浓度和粒径分布的气雾剂，可被有效地吸入肺内给药，是一种潜在治疗哮喘的雾化装置。该项研究中，科研人员提出了一种通过微流控通道实现药物雾化的方法。该方法采用光刻技术在压电衬底表面制备SU-8微流道。结合二氧化硅包覆工艺和PDMS（聚二甲基硅氧烷）工艺制备封闭的微流控通道，提供药物的连续雾化，以提高微流控药物雾化的沉积效率。

　　基于SU-8微流道的SAW器件制备示意图

　　药物向肺部输送主要有两种途径，一种是药物沿着呼吸道在肺表面的局部作用；另一种是药物通过血液输送到全身。近50年的记录显示，前者的使用率显著增加，人们意识到与口服或全身给药相比，病患局部治疗效率虽然相对较低，但所需的药物剂量水平也显著降低，副作用和毒性问题相对较少。

　　目前，吸入疗法已广泛用于治疗呼吸系统疾病，包括哮喘、慢性阻塞性肺病（COPD）、肺囊性纤维化以及肺动脉高压等。通过吸入药物直接输送至肺部，有助于局部靶向治疗疾病或特定的受损区域，并且药物吸入无痛，从而最大限度地减少潜在的系统性副作用。

　　哮喘是一种慢性炎症性疾病，与气道壁中过多的淋巴细胞和嗜酸性粒细胞有关。这种气道炎症使气道变窄，导致人体呼吸时气流阻塞。为了使吸入疗法最有效，载药气雾剂必须主要沉积在肺部的炎症部位。最近的研究表明，在某些类型的哮喘患者的整个肺区域，从支气管到肺泡，都发现了高嗜酸性粒细胞。因此，药物直接沉积在整个下呼吸道被认为是最有效的治疗方法。

　　影响颗粒或气雾剂肺部沉积的最关键因素之一是颗粒的空气动力学特性，包括颗粒或气溶胶的尺寸、密度、形状、吸湿性等。许多临床研究表明，雾化的气溶胶大小对吸入疗法的疗效至关重要。一般来说，气溶胶粒径越大，越容易沉积在上呼吸道甚至胸外区域。而呼气时可快速呼出直径较小的气溶胶，粒径小至0.5μm。目前，许多研究表明，正常潮式呼吸时，雾化气溶胶粒径处于1~5μm是肺部给药的最佳范围。

　　与传统的定量雾化吸入器（MDI）和干粉吸入器（DPI）相比，该雾化器运行时间更长，可以输送更多的药物。此外，与定量雾化吸入器不同的是，该雾化器不需要患者的协调技能，也不需要像干粉吸入器那样通过吸入来驱动，这对于那些患有慢性阻塞性肺病急性发作或哮喘发作且无法自行用药的患者来说是急需的。同理，普通吸入器在儿童和老年患者之间的实用性较差，而该雾化器中的剂量可以根据年龄、性别进行调整。

　　为了解决前面列出的各种药物递送的技术问题，研究人员开发出一款基于微流控供液的SAW雾化平台。SAW是一种沿压电衬底表面传播的声波，振幅在纳米级别。与传统超声雾化（频率小于 1 MHz）相比，SAW雾化驱动频率更高（频率大于10 MHz），可大量产生粒径在1~10 μm范围内的气溶胶。SAW是将机械能转移至为流体的有效方式。与将能量作为一个整体传播的超声波不同，SAW传输的能量固定在衬底上，直到它与流体接触。当液滴放置在SAW传播的路径上时，SAW将在到达衬底和液体之间的边界时衰减为泄漏表面声波（LSAW）模式。伴随波的衰减，声能以一个被称为“瑞利角（Rayleigh angle）”的倾斜角泄漏到液滴中。这个过程会在液滴中产生声辐射压力和循环流动，称为表面声波流，如下图所示。

 

上图是SAW与液体相互作用产生雾化的示意图；下图是产生SAW的压电衬底（左）和用于产生SAW的便携式电池供电电路（右）图。

一款理想的雾化器可以有效地输送高剂量药物，并可以精确控制液滴尺寸分布。此外，SAW雾化已被证明具有广泛的应用，例如蛋白质提取、用于诊断的纸基分析器件表征、药物输送、质谱分析、喷雾冷却等。Anushi E Rajapaksa等人报道了SAW手持雾化器产生的质粒DNA液滴的尺寸范围适合输送到下呼吸道。Layla Alhasan等人证明了SAW雾化平台是一种有前途的高效肺干细胞递送方法。因此，这些研究证实SAW雾化可以将液滴直径为1~5μm的药物输送到肺深部区域。

高速摄像机捕获的基于SU-8微流道供液的SAW波雾化沙丁胺醇溶液的图像（表面声波频率为60 MHz，输入功率为5.26W）

研究人员采用新型微流控供液方法，将沙丁胺醇溶液雾化成微小的液滴，形成一个几乎理想的气溶胶羽状，在此过程中没有喷射现象。使用基于SU-8微流道供液的SAW装置雾化沙丁胺醇溶液，肺区域的沉积率可达75%，明显高于使用医用雾化器通常达到的46%。差异有统计学意义（P < 0.01）。单从剂量来看，基于微流控供液的SAW雾化平台是市场上给药技术的有力竞争者。因此，这些结果为SAW雾化平台的吸引力和可行性提供了信心，使其成为真正的小型化和集成化的便携式吸入治疗手持平台，可广泛用于治疗哮喘和慢性阻塞性肺病。

论文链接：

https://www.nature.com/arTIcles/s41598-022-11132-9

编辑：黄飞