摘要：传统的药物输送系统（DDS）将药物输送到患者体内的特定部位，简化了传统药物处方的药物输送过程，但在剂量准确性、系统适应性和患者依从性方面存在挑战。无线生物电子技术的快速发展为开发一类无线控制药物输送系统（Will-DDS）提供了新的途径。Will-DDS具有无

传统的药物输送系统（DDS）将药物输送到患者体内的特定部位，简化了传统药物处方的药物输送过程，但在剂量准确性、系统适应性和患者依从性方面存在挑战。无线生物电子技术的快速发展为开发一类无线控制药物输送系统（Will-DDS）提供了新的途径。Will-DDS具有无线控制、灵活触发、小型化和集成化等特点，可在特定部位实现可控且精确的药物释放曲线，从而实现个性化治疗。

鉴于此，浙江大学顾臻教授、王金强教授以及南科望研究员讨论了Will-DDS的发展，重点介绍了与药物释放机制、无线供电和通信相关的设计原理和策略。特别强调了从慢性病管理到急性治疗干预的临床应用。此外，他们讨论了Will-DDS与其他先进技术相结合所带来的适应性、全面性和智能化机遇，以及在生物安全、稳定性和监管方面的风险和挑战。相关研究成果以题为“Wirelessly controlled drug delivery systems for translational medicine”发表在《Nature Reviews Electrical Engineering》上。

【Will-DDS简介】

Will-DDS的基础源于材料工程、微电子和无线通信的综合进步。理想的Will-DDS包含三个基本组件：（1）药物释放机制：通过热、电、光、磁或机械触发器以物理或化学方式控制治疗化合物释放的模块。（2）无线电源：一种在数天、数周甚至数月内可靠地为这些药物释放模块供电的方法，无需将患者连接到电池组或频繁充电。（3）无线通信：一种在植入式或可穿戴设备与外部控制器之间交换数据的方法——确保实时反馈和闭环治疗的可能性。除了这些技术优势之外，Will-DDS还可以提高患者的依从性。当医疗方案要求频繁服药时，重复的手动给药会造成不便并降低依从性。相比之下，植入式或可穿戴式Will-DDS可以自动化或简化流程，对于需要长期治疗的疾病（例如糖尿病或癌症）或对急性事件（如癫痫持续状态）的快速反应可能特别有价值。

尽管该领域已取得长足进步，但在Will-DDS实现广泛的临床应用之前仍存在一些挑战：确保生物相容性、稳定的长期运行、足够的电力传输和存储、强大的通信协议以及满足监管标准。以下各节概述了研究人员如何通过专注于药物释放机制、无线供电、通信策略、临床用例和未来愿景来应对这些挑战。

图 1. Will-DDS 的三个组成部分

【Will-DDS的药物释放机制】

Will-DDS 中的药物释放机制围绕按需产生可预测的药代动力学特征。传统药物形式通常表现出血浆浓度的快速上升和下降。相比之下，受控或响应性释放可以最大限度地减少副作用并在较长时间内维持治疗浓度。Will-DDS 通过结合外部触发器（仅在需要时应用）来启动或停止药物给药，从而提升了这一概念。（1）热驱动系统利用温度敏感材料（如水凝胶）。小型加热元件可以集成到设备中。当无线触发（例如，通过电感耦合或磁场）时，这些元件会将局部温度升高到足以将“关闭”的药物储存器切换到“打开”状态。热驱动微泵提供了另一种途径：微型设备，在焦耳加热或气体膨胀下从储存器中推动流体。（2）电触发器提供精确、可编程的开/关控制。电刺激的快速、实时适应性使其成为一种引人注目的解决方案，尽管它需要稳定的电极材料和仔细考虑体内的长期导电性。（3）可以引入光触发器（通常在近红外区域）来分解感光聚合物或前药。光学驱动设备通常受益于高空间和时间分辨率，但面临光子吸收和组织发热等障碍。（4）机械响应系统：机械力可以在需要时提供快速和大剂量。（5）磁响应系统：磁触发器是深层组织靶向的理想选择，因为磁场具有良好的组织穿透性。通过嵌入磁性纳米粒子或软铁磁元件，系统可以在外部磁场下过渡到更具渗透性的状态。同样，磁驱动机械泵可以通过外部施加的场打开或关闭。尽管有效，但控制精确的剂量却具有挑战性，需要仔细校准场强和频率。

图2.Will-DDS的药物释放机制和无线电源

Will-DDS 的无线通信可分为（1）射频通信：基于射频的方法（如低功耗蓝牙、Zigbee 和 NFC）在 Will-DDS 中得到广泛使用。（2）光学和超声波通信：光学通信通常使用红外或近红外光，可以集成到浅层植入物或无遮挡视线中（例如皮肤表面的柔性贴片）。（3）体内/人体通信：最近的研究探索了直接通过身体的导电组织和体液耦合信号。

【Will-DDS的临床应用】

临床应用主要分为慢性疾病管理与急性疾病治疗。（1）糖尿病：集成葡萄糖传感器和胰岛素（或其他抗高血糖药物）的无线贴片和隐形眼镜可以对血糖升高作出反应，触发剂量释放。这种自动闭环系统有助于保持严格的血糖控制，而无需每天多次注射。（2）癌症：可穿戴或可植入设备可以将化疗药物直接输送到肿瘤部位，保护健康组织。磁性纳米粒子或微针可在短时间内提供强效剂量，传感器的实时反馈（如pH值或温度）可以优化治疗周期。（3）眼部疾病：智能隐形眼镜用于监测眼压和其他生物标志物。随后，它们以脉冲方式输送抗青光眼药物（如噻吗洛尔），与传统眼药水相比，药物保留率更高。（4）伤口感染：智能伤口敷料可感知受伤组织的温度、pH值或炎症标志物。通过将这些数据发送到外部设备，系统可以在出现感染的最初迹象时以精确的剂量释放局部抗生素。（5）癫痫：可植入大脑的Will-DDS可以感知异常神经活动并迅速释放抗癫痫药物，防止癫痫发作升级为癫痫持续状态。近乎即时的响应和安全的高速无线链接在这里至关重要。（6）心肌梗塞：对于急性心脏事件，带有集成电子设备的贴片和支架可以监测实时血流动力学并迅速释放抗炎化合物或血管扩张剂以恢复血流或保护组织。（7）疼痛管理：可穿戴微针阵列可在数分钟内触发，以输送局部麻醉剂（如利多卡因），这对于分娩镇痛或严重的急性疼痛至关重要。超声波功率和通信进一步加快了剂量释放。（8）紧急过敏和低血糖：透皮贴剂可在危及生命的过敏反应中释放肾上腺素，或在严重低血糖中释放胰高血糖素，为个人救援设备和远程医疗集成开辟了新的可能性。

图3.Will-DDS的代表性临床应用

【总结】

无线电子、生物材料和数据算法的不断进步推动了Will-DDS设计的快速改进。在技术方面，研究人员正在努力将电感线圈、超声波换能器和磁电材料小型化，同时提高功率密度和操作范围。生物相容性和生物可吸收性电子产品越来越受到关注，尤其是治疗结束后会消失的临时植入物，解决了设备移除和组织刺激的问题。为了提高响应能力，实时生物传感与药物输送的结合实现了闭环控制，其中设备根据用户特定的生理信号自动调整药物剂量。这种反馈驱动的解决方案在难以管理的疾病方面表现出色——从响应血糖波动的胰岛素泵到缓解癫痫发作的神经植入物。此外，人工智能应用有望更准确地预测剂量时间和剂量，尽管监管监督对于确保安全性和有效性至关重要。在动态的人体环境中（姿势、活动和组织特性千差万别）实现稳健、稳定的无线电力传输并非易事。通信协议必须保持安全可靠，以防止意外释放药物或数据泄露。长期的机械和电气稳定性（尤其是对于植入物而言）需要新一代封装材料，这些材料必须能够抵抗体液的破坏。最后，为了符合监管途径，设计必须考虑严格的安全测试、上市后监督和成本效益。尽管如此，Will-DDS对慢性和急性疾病管理的潜在益处是巨大的：更高的治疗效果、更少的并发症和更大的患者便利性。随着研究集中在集成、生物相容性和智能设计上，Will-DDS有望通过提供量身定制的按需疗法来重塑当代医学，从而改善结果并减轻全球医疗负担。

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来源：小曹的科学讲堂