Sci Adv | 植入式药物递送系统，实现42天药物精准递送，慢病长治

期刊：Science Advances (IF=12.5)

发表日期：2025年6月25日

DOI：10.1126/sciadv.adv8734

华中科技大学同济医学院陈伟团队与新加坡国立大学陈小元团队开发了一种新型的植入式药物递送系统——SUSTAIN系统，用于药物递送的时辰治疗。该系统通过渗透压和气流驱动，结合剪切变稀水凝胶，实现了药物的精准按需递送和长期持续释放。在体内实验中，成功实现了长达10 天的左甲状腺素钠递送和长达 42 天的司美格鲁肽递送，维持了有效的血药浓度，且具有极小的侵入性和良好的生物安全性，为慢性疾病管理提供了极具前景的解决方案。该研究成果以“Smart ultra-long-lasting sequentially triggerable and artfully implantable nozzle system for on-demand drug delivery for chronotherapy”为题，发表在《 Science Advances》期刊上。

背景知识：

l慢性疾病的发病率和死亡率在大多数国家已超过传染病，成为主要死亡原因。传统药物递送方法存在生物利用度低、患者依从性差等问题，而现有先进设备则因体积大、需频繁植入、存在炎症风险和缺乏精准控制等受到限制。

l按需药物递送系统能够根据患者的具体需求和生理节律，精准地控制药物的释放时间和剂量，从而提高药物的治疗效果和患者的依从性。时辰治疗是一种根据人体生理节律和疾病特点，选择最佳时间进行药物治疗的方法，能够更好地发挥药物的疗效，减少药物的副作用。

研究方法：

l设计并开发了SUSTAIN系统，该系统由渗透压触发模块（OPTM）、气流生成T型管（AGT）和药物输注泵（DIP）组成。通过渗透压差驱动水流入OPTM，引发 AGT中的NaHCO₃/KH₂PO₄粉末产生气流，推动DIP中的药物释放。

l利用有限元分析模拟DIP中流体的流速和压力分布，优化了系统的结构设计。通过调整NaHCO₃/KH₂PO₄粉末的用量和填充时间，实现了对药物释放的精准控制。

l采用β-环糊精及PluronicF-127水凝胶作为药物载体，利用其剪切变稀特性实现药物的持续释放，并通过动态剪切流变仪等方法对其性能进行了表征。

关键结论：

lSUSTAIN 系统通过渗透压和气流驱动，结合剪切变稀水凝胶，实现了药物的精准按需递送和长期持续释放，为慢性疾病的治疗提供了一种创新的解决方案。

l该系统在体内实验中表现出良好的药物递送效果和生物安全性，有望显著提高患者的治疗依从性和治疗效果，具有重要的临床应用前景。

图片解析：

图1展示了 SUSTAIN 系统的工作原理和潜在应用。该系统集成了渗透压触发模块、气流生成T型管和药物输注泵，通过渗透压差驱动水流入渗透压触发模块，引发气流生成T 型管中的NaHCO₃/KH₂PO₄粉末产生气流，推动药物输注泵中的药物释放。药物输注泵中的β-环糊精及PluronicF-127水凝胶具有剪切变稀特性，能够在气流推动下持续释放药物，实现精准的药物剂量、时间和频率控制，为慢性疾病治疗提供了一种创新的解决方案。

图2详细描述了SUSTAIN系统的结构和工作原理。通过有限元分析模拟了药物输注泵中流体的流速和压力分布，揭示了环形微阵列对流体流动状态的影响。环形微阵列能够将流体的流动模式从层流转变为湍流，增加流体的流速和压力，从而有效控制剪切变稀水凝胶的流动，确保药物的精准释放。

图3展示了SUSTAIN系统的按需激活和填充性能。通过体外和体内实验验证了系统的密封性、药物释放能力和填充功能。实验结果表明，SUSTAIN能够在特定时间点精准释放药物，并且通过填充装置可以实现多次药物补充，延长药物释放周期，显著提高了药物递送的灵活性和患者的治疗依从性。

图4对β-环糊精及PluronicF-127水凝胶的形成机制和剪切变稀特性进行了深入表征。通过低场核磁共振技术分析了水分子在复合水凝胶中的分布状态，揭示了β-环糊精和Pluronic F-127之间的相互作用对水凝胶形成的影响。实验结果表明，该复合水凝胶具有良好的剪切变稀特性，能够在剪切力作用下转变为液体状态，移除剪切力后迅速恢复凝胶状态，适用于注射和组织工程等应用。

图5评估了SUSTAIN系统在体内递送左甲状腺素钠（FT4）的效果。通过建立甲状腺功能减退症大鼠模型，比较了SUSTAIN、皮下注射和ITCA 650类比物的药物递送效果。实验结果表明，SUSTAIN能够显著延长FT4的血药浓度维持时间，提高药物的生物利用度，为甲状腺功能减退症的治疗提供了一种有效的替代方案。

图6展示了SUSTAIN系统在体内递送司美格鲁肽的效果。通过Cy7标记的司美格鲁肽进行荧光成像实验，验证了SUSTAIN在药物释放位置和血液中的药物浓度维持方面的优势。实验结果表明，SUSTAIN能够实现长达1008 h的药物浓度维持，显著优于传统注射方式，为2型糖尿病的长期管理提供了极具潜力的解决方案。

图7对SUSTAIN的生物安全性进行了全面评估。通过监测大鼠体重、生化指标、行为分析和组织病理学染色，结果表明SUSTAIN植入后对大鼠的生理功能和行为活动影响较小，且在植入部位未引起明显的炎症反应和组织损伤，具有良好的生物相容性和安全性。

总结与展望：

本文开发的SUSTAIN系统为慢性疾病的治疗提供了一种创新的解决方案。通过渗透压和气流驱动，结合剪切变稀水凝胶，SUSTAIN实现了药物的精准按需递送和长期持续释放，在体内实验中表现出良好的药物递送效果和生物安全性。未来的研究可以进一步优化系统的结构和性能，探索更多药物的适用性，并开展临床试验，以推动该技术的广泛应用。