用于超声促渗的可拉伸电子面膜研究获进展

经皮给药在医学治疗上已有较大贡献。相对来说，传统直接给药方法（注射或口服）适用于全身性疾病和需要立即给药的急性疾病，而对于某些局部疾病，需要主动和靶向释放机制来降低非靶点的毒性并提高治疗的总体疗效，经皮给药系统具有显著优势。目前，加速药物经皮导入的策略主要包括传统化学增强、离子促渗、超声促渗、微针等。超声促渗，即利用超声波的物理效应促使药物导入或穿过皮肤，如甘油、透明质酸（HA）、烟酰胺、纳米颗粒、蛋白质、DNA和病毒疫苗。与传统化学增强剂和离子导入相比，超声促渗可以在更大的分子量范围内增加皮肤的渗透性，最大可达数万道尔顿（纳米级长度），而不涉及对活细胞的刺激或毒性以及严重的皮肤疼痛。微针可以导入小分子，也可以导入大分子，但它具有物理入侵性，这增加了对安全性和无菌性的额外考虑。超声促渗包括低频超声促渗（LFS，20-100 kHz）和高频超声促渗（HFS，≥0.7 MHz）基于空化效应，但LFS的空化产生在皮肤表面上，而HFS的空化发生在皮肤细胞间。其他机理如热效应，在某些情况下也可能发挥重要作用。

改善面部健康状况对所有年龄段的人均具有重要意义，设计出可穿戴柔性电子器件将超声促渗技术应用于面部健康护理是颇有吸引力的想法。近年来，研究设计和制备出一系列的大变形柔性超声器件，这些器件在医疗健康领域颇有应用潜力，其中多数用于贴合复杂表面来监测或成像内部结构，如复杂内部缺陷的三维图像、中心动脉血压、深层组织血液动力学、血流速度等。关于此类超声器件的主动治疗能力，有研究开发了柔性超声治疗贴用于加速慢性伤口愈合。然而，目前，尚未发现有研究将其应用于经皮给药或将其应用于具有大面积、复杂表面的整个人脸。

中国科学院力学研究所研究员苏业旺团队设计并制备了一种可拉伸电子面膜（SEFM），可集成各种传感器和执行器，作为面部健康护理平台（图1）。作为一个器件级的演示，将超声促渗的功能组件集成在平台上，以促进经皮给药。SEFM由可拉伸岛桥网状电路、特别设计的谐振频率为1MHz的压电阵列和人脸状封装组成。为了克服人脸大面积复杂曲面带来的技术挑战，本工作开发的关键设计和技术（图2）包括压电元件的单侧结构设计，以实现低弯曲刚度和高弯曲能力；由两个平面半脸部分沿非直线边界拼接的封装层设计，能够实现平面岛桥网状电路的封装，并可与具有三维复杂曲面的人脸共形贴合；单面软压（SSSP）封装工艺，进一步降低SEFM的刚度；有机-无机复合结构，以增强互连导线（“桥”）的延展性和鲁棒性；具有细长外形的四柱设计，以实现均匀的声强和较大的声场总功率，其中许多可扩展到其他可拉伸电子器件的设计和制造。研究通过有限元方法和实验验证了SEFM的力学、热学、电学和超声性能（图3、4），并通过动物实验和人脸实验证明了SEFM对于加速透明质酸导入皮肤的效果（图5）。此外，前人文献已证明的其他药物也可以通过使用SEFM更有效地穿透皮肤，以达到不同的治疗效果。该成果具有重要的基础研究学术意义以及较好的产业化应用前景。

近日，相关研究成果以Stretchable Electronic Facial Masks for Sonophoresis为题，发表在ACS Nano上。研究工作得到大连理工大学、中科院动物研究所、哈尔滨工业大学的支持，并得到国家自然科学基金、中科院基础前沿科学研究计划“从0到1”原始创新项目、中科院“创新交叉团队”项目等的资助。

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图1.SEFM的展示与机理：a、SEFM的使用示意图，b、SEFM的外视图，c、SEFM的内视图，d、可拉伸岛桥网状结构电路照片，e、可拉伸岛桥网状结构电路示意图及其等效电路图，f、单个岛的放大视图，g、SEFM超声促渗的底层机理示意图