“聲控膠囊”巧用共振原理控釋藥物
9月25日，記者從浙江大學(xué)獲悉，該校藥學(xué)院、金華研究院顧臻教授、王金強(qiáng)研究員團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一種仿生人工纖毛陣列，通過(guò)聲學(xué)共振機(jī)制實(shí)現(xiàn)對(duì)聲音信號(hào)的可視化解析，并利用可聽頻率聲波實(shí)現(xiàn)共振響應(yīng)性藥物遞釋。相關(guān)研究于近日發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊《自然·生物醫(yī)學(xué)工程》上。
人類聽覺(jué)系統(tǒng)中，感知聲音的過(guò)程很精巧——耳蝸中的基底膜和毛細(xì)胞隨著外部聲波信號(hào)產(chǎn)生振動(dòng)，毛細(xì)胞通過(guò)其高度特化的纖毛束的偏轉(zhuǎn)，將聲波振動(dòng)轉(zhuǎn)化為神經(jīng)信號(hào)。這一過(guò)程中，毛細(xì)胞頂部的纖毛結(jié)構(gòu)發(fā)揮了重要作用。受此啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)借助三維建模和高精度3D打印技術(shù)，模擬耳蝸毛細(xì)胞的纖毛結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)并制備了具有不同長(zhǎng)度/直徑比的仿生人工纖毛陣列。
“共振原理，簡(jiǎn)言之是當(dāng)外界激勵(lì)的頻率與系統(tǒng)的固有頻率匹配時(shí)，能量高效傳遞，振動(dòng)幅度急劇放大。”王金強(qiáng)介紹，實(shí)驗(yàn)表明，具有不同直徑和不同長(zhǎng)度/直徑的人工纖毛陣列在聲波激勵(lì)下可基于聲學(xué)共振原理產(chǎn)生振動(dòng)，其共振頻率在100-6000赫茲之間，基本涵蓋人類聽覺(jué)常用頻率范圍。
研究團(tuán)隊(duì)將不同共振頻率組合的纖毛集成于同一陣列，發(fā)現(xiàn)在鋼琴音樂(lè)和語(yǔ)音等聲音信號(hào)的激勵(lì)下，纖毛陣列的振動(dòng)響應(yīng)模式與聲音信號(hào)時(shí)頻圖基本一致，顯示出其在聲音頻率可視化解析方面的潛力。團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究證實(shí)，共振狀態(tài)下的纖毛可顯著加快液體流速，有效促進(jìn)模型藥物在液體環(huán)境中的釋放與擴(kuò)散。
在此基礎(chǔ)上，研究團(tuán)隊(duì)分別將胰島素和胰高血糖素搭載于不同長(zhǎng)度/直徑比的仿生纖毛上，構(gòu)建了膠囊型的聲學(xué)共振響應(yīng)性藥物遞釋器件，并在1型糖尿病模型小鼠動(dòng)物實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證了藥物遞釋器件雙向調(diào)控血糖的功能。
“通過(guò)施加不同頻率的聲波刺激，這一器件可選擇性觸發(fā)胰島素或胰高血糖素的釋放?！鳖櫿楸硎荆磥?lái)，這一仿生人工纖毛陣列可以進(jìn)一步優(yōu)化材料與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以拓寬頻率響應(yīng)范圍，提升對(duì)復(fù)雜聲音信號(hào)的解析能力，用于更多個(gè)性化任務(wù)的執(zhí)行，包括與腦機(jī)接口、電子藥物等領(lǐng)域的交叉融合。
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