用超声波突破皮肤屏障！MIT科学家为皮肤给药提供可穿戴解决方案

虽然广告总是说得天花乱坠，但关心护肤的朋友一定知道，大多数护肤品中的各种功效成分实际上并不能深入真皮层或更深的层次产生作用。这是由于构成皮肤表皮层的角质细胞、表皮细胞和角化细胞等密集地排列在一起，形成了屏障功能，防止外部分子进入。

这层屏障也给医学带来了挑战性，限制了通过皮肤给药的应用范围。然而，由于可以绕开消化系统，避免药物经肝脏或肠道的代谢损失，也能避免口服药物后胃肠道反应的发生，以及长期治疗时患者更好的依从性，通过皮肤给药依然是具有一定的优势。因此，科学家们希望能够找到方法，攻克皮肤屏障带来的给药障碍，使得皮肤给药能够更好地应用于伤口愈合、止痛和其他医疗、美容领域。

近日，麻省理工学院（MIT）的研究人员为了能让药物更好地经由皮肤进入身体，开发了一种可穿戴的贴片，利用无痛超声波作用于皮肤，创造出微小的通道，使得药物能够更易于穿透皮肤。相关成果以“A Conformable Ultrasound Patch for Cavitation‐Enhanced Transdermal Cosmeceutical Delivery”为题发表于Advanced Materials。

图1 研究成果（图源：[1]）

研究人员称，该方法不仅可用于各种皮肤疾病的治疗，还可以用于输送激素、肌肉松弛剂和其他药物。研究的资深作者、麻省理工学院媒体实验室的副教授Canan Dagdeviren表示：“这一方法所展现出的使用简便、易于重复等特性，为那些患有皮肤疾病和过早皮肤老化的患者带来了一种改变游戏规则的新选择。通过这种方式输送药物可实现更少的全身毒性，以及更高的局部性、舒适性和可控性。”

虽然过去的研究表明，紫外线可以增加皮肤对小分子药物的渗透性，然而，想要通过这种方式实现药物输送总免不了需要配备大型设备。MIT团队此次开发出的可穿戴贴片则突破了这一方面的限制，能够适用于更多场合。

该贴片的主要材料为聚二甲基硅氧烷（poly(dimethylsiloxane)，PDMS），其中嵌入了数个圆盘状的压电传感器。PDMS是一种基于硅的聚合物，可以直接粘附在皮肤上，无需额外的粘合剂。每个圆盘所在的空腔中，都可以储存溶解有药物分子的液体溶液。当电流流经这些压电元件时，压电元件就能将电流转化为机械能，在液体中产生压力波，从而在皮肤上产生破裂的气泡。而气泡破裂所产生的微射流，能够穿过皮肤坚硬的角质层。

这一现象在物理学上叫做“声空化”。当液体暴露在高强度的超声下时，在某些时刻液体局部压力降低，液体中的微小气泡会剧烈生长和振荡，形成气泡或者空腔，但很快又会因为声波的周期性挤压作用而发生收缩，当气泡收缩达到临界尺寸时，气泡会骤然坍塌并释放出高额能量。

低频声电泳（low-frequency sonophoresis，LFS，20–100kHz）、中频声电泳（IFS，100kHz-1MHz）、高频声电泳（HFS，>1MHz）都可以诱导声空化，但形成的空化气泡的共振半径不同，增强皮肤渗透性的机制也不相同。传统上，主要选择HFS来增强皮肤的渗透性，且其产生的气泡密度更高，大小与脂质双层的细胞间距相当。然而，又有发现表明，使用LFS产生更大的气泡，可以更好地利用气泡坍塌、微喷射等瞬态现象，而IFS则是一个有效的折衷方案。

在这项研究中，研究人员采用了IFS方案，并通过测试烟酰胺的输送情况来测试该贴片的效率。烟酰胺是一类B族维生素，是许多防晒霜和保湿剂的常见成分。结果表明，通过超声贴片输送的烟酰胺比没有超声辅助穿透皮肤的药物量大26倍。与微针穿刺皮肤输送药物相比，超声贴片可在30分钟内输送微针6小时内的输送量。

图3 烟酰胺被动渗透和经10分钟超声处理后的对比（图源：[1]）

目前，该超声贴片可使药物穿透几毫米厚的皮肤，这对于那些在皮肤内部起效的药物来，比如用于治疗老年斑或其他皮肤黑斑的烟酰胺或维生素C，或用于治疗烧伤的局部药物，具有良好的临床价值。

研究人员考虑对该超声贴片进一步升级，使得药物穿透深度增加，以帮助那些需要达到血液的药物，如咖啡因、芬太尼或利多卡因，能够起效。Dagdeviren还构想了这种贴片用于输送孕激素之类激素的可能性。此外，研究人员现在正在探究将类似的设备植入体内的可能性，如果成功，该贴片还将有望输送治疗癌症或其他疾病的药物。