Research - 一款可穿戴的无线眼部药物递送系统

来源：“Research科学研究”微信公众号

天津大学段学欣教授课题组、天津市眼科医院王雁教授与北京信息科技大学尤睿教授合作，提出了一种新型的微型流体泵，通过对声射流的高效分离与利用，克服了现有声流体微泵的性能缺陷，具有优异的单位体积性能与能效，并据此开发了一种可穿戴眼部药物递送系统。相关成果以“A Miniaturized Wireless Micropump Enabled by Confined Acoustic Streaming”为题发表在Research上。

Citation：

You R, Fan Q, Wang Z, Xing W, Wang Y, Song Y, Duan X, You R, Yan Wang. A Miniaturized Wireless Micropump Enabled by Confined Acoustic Streaming. Research 2024;7:Article 0314.

https://doi.org/10.34133/research.0314

研究背景

体积小、功能强、价格低、可靠性高的微系统在消费、健康及工业领域具有广阔的应用前景。在诸如芯片实验室、器官芯片、即时检测及可控药物输送等微系统中，流体介质扮演着举足轻重的角色，其不仅负责样本的运输，还承载着信息传递和系统各部件间的连接任务。微型流体泵（微泵）则犹如微系统的“心脏”，为流体运输提供主要的动力。然而，当前的微泵并不能满足微系统的需求，例如传统电磁型微泵的机械结构较为复杂，相变式微泵的可控性较弱，电动流体力学微泵的工作电压过高等等。

研究进展

近日，天津大学段学欣教授团队联合天津市眼科医院王雁教授与北京信息科技大学尤睿教授，共同开发了基于MEMS特声波（千兆赫兹，GHz声波）器件的声流体微泵。他们首次引入了内边界约束的概念来调节GHz声流，从而实现了声射流到单向泵送的高效转换。如下图所示，首先，利用MEMS技术制造了超高频（GHz）薄膜体声波谐振器，通过GHz声流体效应得到了强射流。其次，引入内边界概念在流域内进行局部分割，从而在满足流场有旋的条件下实现局部无旋流体的获取。并通过构建流体回路模型、有限元仿真以及实验深入研究如何有效抑制涡流，提高射流与稳定单向流之间的转化效率。在此基础上，作者提出了声射流微泵（AcousJMP）的概念。这一创新成果，不仅为声流体微泵技术的发展开辟了新路径，也为微型化技术在各个领域的应用提供了强有力的技术支持。

典型AcousJMP示意图：声射流被激发，并通过圆锥形内边界限制和调控后稳定单向流动，从而驱动流体回路

为了验证GHz声射流微泵的概念，作者精心设计并制造了一款超小尺寸的微泵——AcousJMP I。经过详尽的性能表征，该微泵展现出了令人瞩目的性能：总压从100mW时的0.313kPa线性增加到了640mW时的3.262 kPa；体积效率高达32.620kPa/和11.800mL/min ；能效η也达到了1.84 ；表现出色，性能优异。

基于AcousJMP的优异性能，作者在有线版本的基础上制造了无线AcousJMP，并配备了导管接口，从而构建出了一款可穿戴的无线眼部药物递送系统（oDDS）。在大鼠角膜上皮损伤的治疗实验中，该系统展现出了良好的生物兼容性和安全性，为后续的人体应用奠定了坚实的基础。随后，研究团队将基于AcousJMP的oDDS应用于人干眼症的治疗中。实验结果显示，正常组和AcousJMP组的差异并不显著，可以认为二者在治疗效果上基本一致，且二者均与干眼组的结果存在显著性差异。这一结果充分证明了该系统在眼部给药治疗中具有巨大的潜力，有望为那些面临治疗困难的患者提供更为优质的医疗服务，进而提升整体治疗质量。

AcousJMP在干眼症治疗中的应用

未来展望

在系统小型化的关键进程中，微泵的性能问题成为了制约其发展的主要瓶颈之一，尤其是在追求极致小尺寸的同时，现有微泵的泵送性能往往难以达到理想状态。AcousJMP具有优秀的体积效率、泵送性能、良好的生物兼容性及较低的功耗，因此，能够为各种POCT以及LOC等应用提供有力的技术支持。并在未来的研究中与专用控制单元、信号接收和发送单元以及传感单元一同集成到一个紧凑的系统中，成为真正的“智能泵”。

作者简介

段学欣，博士，天津大学精密仪器与光电子工程学院教授、国家重点实验室副主任、天津大学南昌微技术研究院副院长、《Scientific Reports》编委、纳米技术与精密工程核心期刊主编、国际声流体学会委员（为该组织成立16年来首位入选的中国科学家）。段学欣教授主要从事微纳尺度的测量与控制、生物微纳机电系统、生物传感器、执行器，气体传感器，微流体芯片、声流体镊的应用基础研究以及医工结合的前沿应用研究。所在M/NEMS实验室聚焦应用于移动终端、物联网、虚拟现实、可穿戴设备、机器人、航空航天、生命生物等领域的MEMS传感器和纳米传感器、微执行器、微通讯器件等核心元件及系统的研发（http://www.tjumbios.com/）。

尤睿，博士，北京信息科技大学仪器科学与光电工程学院三级教授、副院长、北京市优秀青年人才、北京市“科技新星”计划等，兼任中国计量测试学会计量仪器专业委员会委员、中国仪器仪表学会医疗仪器分会副理事长。主要从事先进功能材料、MEMS传感器、微系统技术领域基础研究，在异质/异构集成制造工艺、微光机电器件、生物医学检测等方向取得关键技术突破与应用。

王雁，教授，主任医师，博士生导师（南开大学，天津医科大学，天津大学），香港理工大学，美国东南大学与美国太平洋大学客座教授。享受国务院特殊津贴专家。天津医师协会眼科医师分会会长。天津市眼科研究所所长，天津市眼科和视觉科学重点实验室主任，天津市青少年近视防控中心主任。南开大学眼科学研究院院长，南开大学医学院临床眼科学教研室主任。中华医学会眼科学分会全国委员，中华医学会眼科学分会专家委员，中国医师协会眼科医师分会屈光手术专业委员会主任委员，国家青少年视力健康咨询委员会委员。国际屈光外科理事会（ISRS）国际理事。世界屈光外科和视觉科学学院成员（WCRS）。主持国家级科学基金十余项，主编、参编专著30余部，英文8部，获国家发明专利和实用新型专利20余项，带领团队发表中英文论文逾400篇。