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资讯 | 浙江大学《Adv Funct Materials》：超声+超材料-深部组织药物递送迎来新范式

两江科技评论

2026-02-09

导读：本研究创新性地提出一种Janus多孔超材料驱动的定向微注射策略。该策略利用JPM在温和超声下收集并增强声能，触发内部相变产生可控的定向射流，从而将药物主动“推入”并穿透屏障，

文章来源：超材料世界

以蛋白质、核酸为代表的大分子生物治疗药物虽应用广泛，但其递送面临人体内复杂且个体化生物屏障（如内皮屏障、黏液屏障）的严峻挑战，尤其在深层组织，传统方法难以实现高效、均匀的递送。虽然基于超声的空化技术因其无创和深穿透能力展现出潜力，但其空化效应在深层会衰减，且产生的声流场方向性差，难以精准靶向和适应复杂组织表面。

为此，本研究创新性地提出一种Janus多孔超材料驱动的定向微注射策略。该策略利用JPM在温和超声下收集并增强声能，触发内部相变产生可控的定向射流，从而将药物主动“推入”并穿透屏障，旨在实现深层组织中快速、稳健且能贴合组织形态的适应性药物递送，为解决生物大分子递送的核心瓶颈提供了新思路。

一、解决的问题

生物治疗药物（如蛋白质、核酸）在体内递送时，受到复杂、多层次、个体化的生物屏障（如血管内皮屏障、黏液屏障、组织间质）的严重限制。
深层组织难以直接干预，现有递送系统（如纳米药物、超声辅助递送）往往效率低、方向性差、无法适应复杂组织表面形态。
超声空化在深层组织中衰减明显，难以在安全强度下实现高效、定向、均匀的递送。

二、提出的方法

提出一种Janus多孔超材料（JPM），由多孔超结构涂层、无孔基底、全氟戊烷（PFP）纳米液滴和药物溶液组成。
JPM通过声学限制效应在孔结构中捕获并增强超声能量，触发PFP液-气相变产生微气泡，推动药物形成定向微射流。
材料结构具有低孔隙率（约50%）和连续孔壁，显著增强声能吸收与空化效应。

三、实现的效果

高效跨屏障递送：在5分钟内实现蛋白质、多糖、核酸等多种分子跨越多层生物屏障。
深层组织穿透：白蛋白（66.43 kDa）在3分钟内穿透100 μm厚心包膜，递送效率提升30倍以上。
方向可控：通过调整多孔涂层方向，可实现与超声波方向相反的递送，适应复杂组织表面。
动物模型验证：在大鼠血管外膜与内膜损伤模型中，JPM递送miR-22显著抑制炎症反应、促进血管修复，并实现圆周均匀递送。
与医疗器械结合：JPM可喷涂于球囊表面，实现血管内局部、均匀、深层递送。

四、创新点

首次揭示孔隙率对超声空化的关键影响：低孔隙率连续孔壁结构显著增强声能限制与空化效应。
实现方向可调的微注射：JPM可通过结构设计调整射流方向，实现逆向或圆周递送。
适用于多种药物类型：涵盖小分子、蛋白质、核酸、亲脂性药物等。
与介入器械集成：可与球囊等医疗器械结合，扩展其在介入治疗中的应用潜力。
安全可控：在温和超声条件下工作，不损伤组织完整性，温升可控（< 5.7°C）。

研究成果以题为：《Directional Microinjection Driven by Porous Metamaterials for Robust and Conformal Drug Delivery in Deep Tissues》发表于期刊《Advanced Functional Materials》。单位为：浙江大学、北京大学、杭州经血管植入器件研究院，第一作者为：浙江大学Yirong Guo, 浙江大学Jing Wang, 北京大学Ke Liu.

摘要

摘要：

生物治疗药物通过为多种疾病提供有效治疗手段，在推动精准医疗实践中发挥着关键作用。然而，它们在体内的生物利用度受到具有个性化几何结构的致密复杂生物屏障的严重限制。本文提出一种Janus多孔超材料，能够产生定向微射流，实现跨生物屏障的稳健且适应性生物治疗药物递送。该JPM能够收集超声能量并增强空化效应，从而促进持续液体射流的产生。包括蛋白质、多糖和核酸在内的多种治疗剂可在1至5分钟内穿过各种生物屏障。值得注意的是，在温和超声作用下仅3分钟，该JPM即实现了蛋白质（白蛋白，66.43 kDa）前所未有地穿透致密的100 μm厚生物屏障，与传统的基于超声的方法相比，展现出卓越的递送效率。此外，通过调整JPM多孔层的方向，在大鼠模型中实现了血管内圆周均匀的基因递送，从而能够精确调节损伤后的炎症反应和血管再生。进一步地，该超材料与球囊装置的集成已被开发，以促进多功能的腔内递送。综上所述，该JPM在深层组织生物治疗药物递送方面具有广阔的应用前景。

图示

图1：微注射策略示意图

图2：具有增强超声空化能力的超结构涂层

图3：跨越心包膜的药物递送

图4：跨越组织模拟体模凝胶的药物递送

图5：跨越各种体外组织的药物递送

图6：负载 miR-22 的 JPM 在 3 天时用于外膜损伤修复

图7：负载 miR-22 的 JPM 在 14 天时用于外膜损伤修复

图8：负载 miR-22 的 JPM 在 14 天时用于内膜损伤修复

图9：通过球囊上的超结构涂层在深层组织中进行适应性药物递送

文章信息

文章信息：Y. Guo, J. Wang, K. Liu, et al. “ Directional Microinjection Driven by Porous Metamaterials for Robust and Conformal Drug Delivery in Deep Tissues.” Advanced Functional Materials (2026): e26460.

DOI：https://doi.org/10.1002/adfm.202526460

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