一张面膜，登上ACS Nano！超声促渗，实现面部药物递送

超声促渗

数千年来，经皮给药在医疗领域发挥着巨大的作用。目前，加速药物递送的策略主要包括常规化学增强剂、离子导入、超声促渗等。其中，超声促渗（sonophoresis）是利用超声波将药物送入/通过皮肤。与传统的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渗透性，最大可达数万道尔顿（尺度在纳米级水平）。一般来说，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）。这两种方法都主要基于空化效应，但LFS通常作用于皮肤表面，而HFS可作用于皮肤内部。

同时，将超声促渗技术应用于人类面部保健是一个很有前景的想法，因为改善面部健康状况对所有年龄段的人都具有重要意义。因此，可基于超声促渗技术开发用于面部保健的可穿戴电子设备。然而，这类面部保健策略目前还面临着诸多挑战。一是需要完美的适形程度（conformal fit）：超声波传播需要介质，但超声波发射探头和皮肤之间的空气会大大降低传播效率，因此探头和面部皮肤之间的完美适形配合至关重要；二是免持个人长期使用性：面部保健过程通常持续数十分钟，在此期间，最好同时能够免持展开其他工作；三是人脸的大面积复杂表面，这也大大增加了可穿戴器件的开发难度。

可拉伸电子面膜

中科院力学所苏业旺研究员等人提出了一种介可拉伸电子面膜（SEFM）作为面部保健的平台。这种平台集成了各式传感器和执行器，可实现超声促渗功能并促进药物面膜的递药效果。为了克服技术上的挑战，该研究采用半表面部分设计连接的平面硅树脂层和单面软压（SSSP）封装技术制造器件。此外，通过有限元分析和实验，作者还验证了SEFM的机械、热、电和超声波特性。最后，动物实验展现了SEFM具有加速透明质酸（HA）释放的效果，而通过人类面部实验则证实了SEFM可以将皮肤含水量提高20%。相关工作以“Stretchable Electronic Facial Masks for Sonophoresis”为题发表在ACS Nano。

【文章要点】

一、SEFM机制

如图1所示，用于超声促渗的SEFM具有类人脸和耳钩的结构。而在佩戴SEFM前，实验对象还需要佩戴由水、甘油、HA等其他药物组成的药物面膜。SEFM本身是一种夹层结构，其外部和内部分别由白色和透明的可拉伸硅树脂层进行封装，并由集成了超声激发式压电阵列的可伸缩岛-桥网状电路组成。在超声促渗机制方面，超声波的空化效应导致角质层角质细胞之间的空腔产生气泡，振荡的空化气泡导致角质层脂质双层紊乱，实现皮肤通透性的增加。此外，热效应还可以通过增加药物的动能和扩散率、扩张毛囊和汗腺，以及增强治疗区域的血液循环来发挥额外作用。

图1SEFM的结构及其作用机制

二、SEFM的设计和制造

SEFM可伸缩岛-桥网状电路的制造如图2所示。首先，分别在厚度为18μm/100μm/18μm的Cu/PI/Cu复合膜的一侧进行光刻和湿法蚀刻。厚铜层的设计对于减少热损耗和确保SEFM的电气性能具有重要作用。而较厚的PI层有助于通过使铜的变形局域化来提高其延展性，从而增强恢复能力和抗疲劳能力。其次，另一层但具备不同图案的薄膜（18μm/100μm/18μm厚）也通过光刻、湿法蚀刻、通孔冲孔和铜沉积技术进行制备。随后，制备好的压电元件翻转并焊接到制备的层压膜上，最后通过激光切割得到了可拉伸的岛型网状电路。研究还设计了连接的硅树脂层，并利用SSSP技术对电路进行封装以确保器件对人脸的适形。此外，有机无机复合结构可强化桥联结构的延展性和稳定性；而具有纤细形貌的四柱（four-pillar）设计可使声强均一并保证声场总功率更大。

图2SEFM的制备

三、SEFM的性能

通过有限元分析和实验验证了SEFM的机械、热、压电和超声波特性。研究显示，优异的机械性能主要是由于单侧结构的设计和SSSP技术，即互连仅位于压电元件的一侧。与双面结构相比，单面设计可使器件硬度与人类皮肤在同一个数量级，证明了单面设计的优越性。此外，与单一无机层（破坏应变仅有1.5%左右）相比，复合结构设计的破坏应变大于25%，因此可为器件提供强大的可拉伸性能。最后，通过使用内窥镜共焦显微镜在不同皮肤深度检测罗丹明标记的HA，动物皮肤实验验证了SEFM对加速HA释放的效果。人类面部实验证实，SEFM可将皮肤含水量提高20%，这也验证了器件加速HA释放的能力（图3）。本研究的综合结果表明，开发的SEFM在面部保健应用方面具有巨大潜力。

图3SEFM实现HA的经皮给药

结论

综上所述，作者成功提出了一种可拉伸的电子口罩概念，它可同时满足开篇所提到的三个要求，并且可以用作多功能的人类面部保健平台。在这个平台上，集成了含水量、弹性和粗糙度的纳米/微传感器以及光动力、超声波、射频、加热等执行器，实现了信号监测和主动保健功能。不仅如此，超声促渗功能组件（压电阵列）在平台上的集成还可以促进药物递送，表明所开发的SEFM在面部保健应用方面具有巨大潜力。

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文献链接：

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsnano.1c11181

来源：高分子科学前沿

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