《Matter》浙江大学顾臻/张宇琪: 按需给药的可穿戴透皮设备-集成电响应水凝胶和微针贴片！

近日，浙江大学药学院、金华研究院和先进药物递释系统全国重点实验室张宇琪研究员、顾臻教授团队报道了一种用于按需透皮给药的可穿戴透皮系统，该系统由装有电响应水凝胶的可穿戴设备和聚合物微针贴片组成，它不仅能通过离子电渗提高带电活性成分的透皮深度，还能通过程序化电流实现按需给药，微针贴片和电凝胶中还可以装载多种治疗药物，满足多种疾病治疗的大剂量需求。

2025年3月13日，相关成果以“A Wearable Transdermal Device for On-demand Drug Delivery”为题发表在Matter期刊上。第一作者是王昊、蔡睿思，张宇琪研究员、顾臻教授为通讯作者。

透皮给药用药方便、患者依从性高，微针作为一种微创、有效的透皮给药平台，可在皮肤内部产生临时通道来高效递送多种药物，如小分子、多肽、蛋白质和核酸等。但为了减少给药时产生的疼痛或不适感，微针的尺寸及长度一般都在微米级别，这不但制约了微针的透皮深度和吸收速率，还限制了其载药量和生物利用度，使其难以满足高剂量的精准给药需求。虽有部分研究报道通过可编程释放药物的微针贴片来满足控释给药的需求，但这类贴片的制备过程通常较为复杂，技术要求高，难以扩大生产规模。

图1：A，WTD 系统透皮给药示意图；B，WTD设备的内部组件；C，可穿戴的WTD设备；D，注射给药或使用 WTD 系统透皮给药后的血药浓度曲线示意图。MTC：最大耐受浓度；MEC：最小有效浓度；E，电极 A 和 B（蓝色）、B 和 C（红色）之间的典型输出电流。

该研究设计了一种可穿戴透皮设备（Wearable Transdermal Device，WTD）系统，包括一个便携的WTD设备和微针贴片（图1）。具体来说，WTD系统可通过程序输出电流来调控装置内部的电响应水凝胶，其释放的定量药物溶液通过微针在皮肤产生的孔道，并在离子电渗的作用下，可实现药物的高效、可控、多次的透皮递送。该系统可满足对不同带电药物的深层、大剂量递送需求，在5分钟内显著提升胶原蛋白、胰岛素和胰高血糖素递送深度和递送量（图2A），为小尺寸微针贴片的快速、有效的透皮递送提供了一种解决方案。

图2：A，WTD 系统通过离子电渗增加胶原蛋白、胰岛素和胰高血糖素的透皮深度；B，WTD设备配合可溶载药微针示意图；C，降血糖应用；D，防治低血糖应用；E，WTD设备配合留置微针示意图；F，按需降血糖应用；G，多次、持续递送化疗药物治疗肿瘤。

在动物模型验证实验中，WTD系统可加快载药可溶微针（DMN）贴片的水合以实现快速透皮递送（图2B）。在5分钟的治疗时间内，装载胰岛素的DMN + WTD实验组维持1型糖尿病小鼠血糖正常水平的时间（2 h）是可溶微针组（0.5 h）的4倍（图2C），同时装载胰高血糖的DMN + WTD实验组比可溶微针组提早2 h将低血糖小鼠的血糖恢复正常。此外，WTD设备还能结合载药的电响应水凝胶和不可溶的留置微针（IMN）通过程序控制实现按需给药，在小鼠血糖回升时可按需启动WTD设备二次释放胰岛素来控制血糖（图2F），或用于其他类型药物的多次按需释放（图2G）。

该研究开发了一种高效、微创、按需给药的可穿戴透皮设备系统，该系统集成了电响应水凝胶和微针贴片，可通过程序化电流驱动实现高剂量控释。在使用可溶微针等载药微针穿透皮肤屏障后，该系统通过加速微针的水合和提供离子电渗效应，提高了透皮递送的速度、深度和递送量。这种功能尤其适用于含有多种可溶性成分的微针贴片，可有效解决辅料和活性成分粘度过高或溶解缓慢等难题。此外，该设备结合留置微针贴片能进一步实现重复、按需给药，同时可满足大剂量用药的需求。

https://www.cell.com/matter/abstract/S2590-2385(25)00083-9

来源：化学与材料科学