一種低成本可攜式的高精度液滴數字式微量藥物注射方法

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一種低成本可攜式的高精度液滴數字式微量藥物注射方法

MEMS 發表於 2020-12-02 10:21:16

在臨床上，使用藥物輸注泵進行靜脈內藥物注射和輸送已被廣泛用於治療對其他藥物輸送途徑（例如口服）無反應的患者。靜脈內藥物輸注已有近200年的歷史，最早可追溯至19世紀初。現代藥物輸注系統已被廣泛應用於化療、手術和疼痛治療等，並已用於輸送多種藥物和液體，包括抗生素、止痛藥、麻藥和營養液等；除靜脈注射外，藥物輸注也可以通過皮下，硬膜外或鞘內等多種途徑進行。目前，當臨床上需要精準控制流量低於10 mL/h的藥物輸注時，通常會使用微量輸注泵。這類微量輸注泵過去常用於治療兒童或新生兒以及用於輸注短效類藥物或高濃度的藥物，例如血管活性藥物和正性肌力藥等。由於對精準醫療以及給藥裝置便攜性的需求不斷增長，小型可攜式高精度微量輸注泵近年來引起了越來越多的關注。當前微量輸注泵的典型用途有術後疼痛處理（例如，用於分娩鎮痛或癌症患者化療的鎮痛泵）和慢性疾病管理（例如，用於糖尿病患者的胰島素泵）等。目前，臨床上常用的微量輸注泵有三類，即被動機械式輸注泵、蠕動泵和注射器泵。當前的這幾類微量輸注泵均無法在低流量下實現高精度和高解析度的藥物輸送的同時保證設備的便攜性和成本效益。

據麥姆斯諮詢報導，近日，加州大學戴維斯分校潘挺睿教授研究團隊在國際上首次提出了一種低成本可攜式的高精度液滴數字式微量藥物注射方法，實現了超高靈敏度和解析度的流量範圍涵蓋0.1 mL/h至10 mL/h的精確給藥。相關研究成果以「Digital droplet infusion」為題，發表於微流控領域Top期刊Lab on a Chip中，並被選為期刊封面，為下一代可攜式高精度微量藥物注射技術提供了新的研究思路。

此前，潘挺睿教授團隊曾首次提出了一種數字液滴式微流量測量技術（DMC, digital microfluidic meter-on-chip，見文末參考文獻）；該方法利用界面不穩定性將連續流動的液體離散化為大小均一的液滴，實現了單個液滴體積高達2.5 nL的解析度，通過檢測單位時間內的液滴生成的個數即可方便地推算出流量。在最新的digital droplet infusion（DDI）裝置的設計和研發中，上述的液滴數字流量計的設計被納入藥物輸注系統中，同時結合毫秒級高精度閥控單元用於實現精確的流量測量以及實時的給藥反饋和控制。得益於其模塊化的設計，DDI裝置可使用現成的部件以及3D列印的組件進行快速組裝，同時可實現流量範圍涵蓋0.1 mL/h到10 mL/h的臨床上常用的的微量輸注流量，解析度達到單個液滴體積低至57 nL，比常用的可攜式輸注泵（CADD Solis，Smiths Medical Inc.）小了三個數量級。

圖1 DDI高精度微量藥物注射的概念、原理示意圖以及原型

如圖1a所示，DDI裝置主要由三大模塊化組件構成，分別是流動離散化模塊、閥控模塊以及電子控制模塊。如圖1b所示，DDI裝置可以方便地集成到傳統的基於重力的靜壓輸液器或彈性膜驅動的被動式機械泵的管路中，以實現高精度的數字式輸注給藥。得益於這種模塊化的設計，DDI裝置的所有電子和流體組件均可獨立運行，實現了流體模塊的低成本一次性可拋式設計同時保證電子模塊可重複利用，顯著降低實際應用中整體給藥裝置的成本。圖1c-e詳細展示了液滴離散化過程的模型以及DDI技術的工作原理和閉環控制流程。圖1f-g示出了DDI裝置的原型圖及其核心組成部件。

此外，為了演示DDI用於輸注給藥的靈活的可編程性，研究人員成功實現了對幾種臨床上常用的輸注曲線的數字式編程。圖2a-e成功模擬和實現了五種輸注曲線，並實時監測了輸注流量以及累計輸注藥物的劑量，包括 （a）患者自控鎮痛（PCA）、（b）連續輸注、（c）間歇式輸注、（d）階梯式輸注和（e）錐形曲線輸注。最後，圖2f展示了DDI裝置可用於檢測輸注管路中的堵塞，並且可用於區分管路上遊和下遊的堵塞，使臨床醫生可以快速定位輸液管路的潛在問題，提供了額外附加的安全功能。

與當前常用的微量藥物輸注系統相比，DDI裝置具有以下幾個明顯的優勢：1）高達57 nL的輸注解析度，比常用的臨床可攜式輸注泵（CADD Solis，Smiths Medical Inc.）小三個數量級；2）覆蓋臨床上常用的微量輸注流量範圍0.1 mL/h到10 mL/h；3）精度高，輸注誤差小於3%；4）可直接集成於輸注管路；5）體積小、重量輕；6）模塊化的架構，電子和流體模塊獨立運行，流體模塊的一次性可拋式設計；7）可使用現成的組件和3D列印的零件快速裝配完成；8）可靈活編程方便地生成多種輸注曲線；9）包括多種安全和警報功能，例如流量設置和調整、總輸液量的計算、上下遊管路堵塞的檢測和甄別等。得益於其簡單的結構以及低成本而高性能的設計，DDI技術有望成為下一代可攜式藥物輸注系統的強有力候選者。

圖2 液滴數字式微量藥物注射技術用於產生五種常見的藥物輸注曲線以及實時監測藥物注射量和輸藥管路上下遊的堵塞

該論文的通訊作者潘挺睿教授為加州大學戴維斯分校生物醫學工程系教授，並任微納創新實驗室Micro-Nano Innovations (MiNI) Laboratory主任。潘教授近年來致力於柔性可穿戴離電子傳感 （Flexible IonTronic Sensors, FITS）和微流控機器人（Robotic-Microfluidic Interface, RoMI）等方面的研究，並在 Nature Chemical Biology, Science Signaling, Advanced Materials, Lab on a Chip 等國際頂級期刊及會議發表學術論文 100 餘篇並擁有20多項美國專利申請及授權。

潘挺睿教授課題組的博士生方澤聰為論文第一作者。論文合作者包括加州大學戴維斯分校醫學院的的Andrew I. Li醫生以及Hong Liu醫生等。

責任編輯：lq

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