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图 1 电化学与药物释放系统的交叉融合（图片来源于网络）。传统的口服或注射给药方式由于需要穿透人体内的多种生物屏障，具有给药方式复杂、给药效率低、给药量大，易造成生物毒性的缺点。药物释放系统的开发可以有效解决传统给药方式遇到的一些问题，现有的市售药物释放系统大多是通过聚合物薄膜包裹药片实现药物释放速率的控制，它们可以在一段时间内以恒定的或不断下降的速率释放药物，但其无法对个体差异作出响应，对于部分慢性与神经系统疾病，我们更希望能根据人体生理规律在特定位置进行周期性、定制化给药。为了实现这一目标，研究者们开发出多种刺激响应性药物控释系统，其中电化学作为一种药物控释或供能的方法，因其可编程、易操控、驱动电压小、响应性快的优势，成为最受关注、最有希望应用于临床的一种药物控释方法。接下来，让我们一起了解下“电化学控制药物释放系统”最新研究进展。根据药物控释机理，我们将从以下四个方面展开介绍。![]()
图 2 (a)电化学离子掺杂控制的药物释放机理1；(b)修饰后导电聚合物的药物控释2。
这一类药物释放系统一般是基于导电聚合物的药物释放系统，导电聚合物是一类具有单双键交替共轭链结构的聚合物。导电聚合物基药物释放系统是利用导电聚合物的掺杂特性将药物分子作为掺杂剂迁入聚合物链中，在施加电压后，通过电化学氧化还原控制的离子迁入、迁出实现药物分子的可控释放。根据药物分子在溶液中的电荷性质，电化学离子掺杂控制的药物释放系统又可分为形变驱动的与静电驱动的药物释放系统（图2(a)）。第一种控制方式是利用导电聚合物在氧化还原过程中离子和溶剂的迁入、迁出产生的体积变化，实现中性或弱电性药物的可控释放；第二种控制方式则是利用氧化还原过程中，聚合物主链电荷性质变化引起的、与其以静电相互作用结合的药物离子迁出的释放过程。单纯的导电聚合物控释系统会面临载药种类受限、载药量过低的问题，针对这一问题，近几年，研究者又开发出了多种导电聚合物修饰方法，例如Tayyebeh Madrakian等人2通过在导电聚合物表面进一步掺杂碳纳米管、石墨烯、纳米粒子等导电物质，在提高载药量的同时增强体系导电性，实现高通量的药物控释（图2(b)）。![]()
图 3 (a)电解水控制的药物释放系统3；(b)电化学缝隙腐蚀控制的药物释放系统4。
上面提到的电化学离子掺杂控制的药物释放系统多是基于共轭聚合物及其修饰物的系统，虽然其具有体积小并且在一定程度上实现药物定时释放的优势，但其药物载量小、无法实现长期多次给药的特点，仍限制了其在某些慢性疾病与神经系统疾病中的应用。随着电路电子学的繁荣发展，研究者们开发出了一类高度可控的基于微机电系统的可植入药物释放装置，电解水控制的药物释放系统由于原理简单、设计方便而被广泛研究。如图3(a)所示，此类药物释放系统一般由电源发生装置、储液器、可变形薄膜与微电极组成。通过电磁感应等远程供电或自发电方式使微电极产生电流，利用电解水产生的气泡使薄膜发生膨胀，推动储液器内的药物释放。
此外，研究者又开发出了电化学缝隙腐蚀控制的药物释放系统（图3(b))。2020年，John A. Rogers等人4开发了一种无线供电的生物可吸收装置，该设备由无线充电线圈、储液器、镁电极组成。装置工作时，由外部的发射线圈发生一定频率的电磁波，使得镁电极间产生偏压，作为储液器阀门的阳极镁表面发生缝隙腐蚀，使药物释放出来，通过将多个储液器与能量接受器集成，可实现药物的多次释放。![]()
图 4 (a)电泳控制的药物释放系统5；(b)电渗流控制的药物释放系统6。
电化学反应的过程中总是伴随着电动现象，利用电化学现象中电渗流和电泳效应可以实现集监测与给药一体的透皮给药和某些神经系统疾病的植入式给药。电泳是带电颗粒在电场下沿着极性相反的电极运动的现象，电泳给药装置主要由电极、离子交换膜、药物离子组成，其中离子交换膜以及药物与固定基团电荷比的优化是实现高效电泳给药的关键（图4(a))。电渗流是在多孔介质或毛细管两端施加电压时，由于微通道内部双电层的存在，使得带有反电荷的溶剂受库仑力作用定向移动产生的流动。利用电渗流现象，Nishizawa教授团队6于2021年报道了一种采用酶促生物电池供电、利用负电荷水凝胶修饰的多孔微针电极实现的集组织液提取监测与药物释放为一体的高效电渗流给药装置（图4(b))。
近年来，随着多种自供能与远程发电方式、电路电子学、智能材料的繁荣发展，电化学控制的药物释放装置一直朝着临床使用、保障人们生活质量与生命健康的方向稳步前进。但其在植入装置微型化、集成化、高载药量、安全性等方面仍有很大的发展空间，希望未来能够开发出更高效、安全的电化学控制药物释放系统。
1 Mirvakili, S. M. et al. Nat. Electron. 4, 464-477 (2021).2 Jalal, N. R. et al. Electrochim. Acta 370 (2021).3 Avila, R. et al. J. Appl. Mech. 89 (2022).4 Koo, J. et al. Sci. Adv. 6 (2020).5 Chen, S. T. et al. Sci. Rep. 10, 7185 (2020).6 Kusama, S. et al. Nat. Commun. 12, 658 (2021).
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