无阀压电微泵结合微针阵列，实现高精度可穿戴经皮给药
2025-08-24 13:59:52 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
上海大学的研究人员提出了一种全程前向流动的无阀PZT微泵，并与中空微针集成实现一种可控、高精度的经皮给药器件。
慢性病患者（例如糖尿病）的数量不断增加，需要长期定期自行给药。然而，传统自行注射方案带来的疼痛和不便会导致患者依从性降低。经皮给药（TDD）系统是一种无痛、易操作且无肝脏首过代谢优势的药物释放新方法。
微泵作为经皮给药系统中驱动元件的一种选择，能够在宽泛的背压范围内精确输送微流体（例如液体药物）。与传统经皮给药系统的驱动机制相比，微泵展现出显著优势。它们不仅能够高效、精确、可靠地将药物从储液器输送到目标部位，还具备输送高分子量和高粘度药物的能力。结合微泵的精确剂量控制能力，经皮给药系统为慢性病患者自我治疗带来了极大便利，尤其是糖尿病日常管理中胰岛素的精确输送。
基于不同驱动和泵送机制的各种微泵已有报道，例如压电（PZT）、电热、电渗和形状记忆合金等。PZT微泵由于其结构简单、稳定性好、控制精度高且功耗低，在给药领域引起了广泛关注。无阀微泵，由于没有复杂的阀门结构，具有良好的耐久性和高可靠性，在给药方面已被广泛报道。由于无阀微泵的定向流动由流动阻力差产生，因此会出现回流效应，从而降低系统的稳定性。尽管控制回流效应的方法已有研究，然而，全程前向流动的无阀PZT微泵还没有报道。
由于皮肤的屏障功能，高分子量药物的输送非常困难。中空微针可以通过空心流道将相对较大的高分子量药物直接输送到真皮层，并且能够非常精确地控制药物随时间的释放。中空微针的工作机制使其非常适合集成到微机电系统（MEMS）中，特别是微泵作为驱动组件的给药系统。迄今，已有多项研究报道了微泵结合中空微针的应用，这种组合易于自我管理和携带，能够实现实时、可控且高精度的流量和压力调节。
摘要附图
据麦姆斯咨询介绍，上海大学的研究人员提出了一种全程前向流动的无阀PZT微泵，并与中空微针集成实现一种可控、高精度的经皮给药器件。研究人员使用COMSOL Multiphysics软件建立了微泵和中空微针阵列的三维有限元模型。在此基础上，利用3D打印和生物相容性材料成功制备了泵体和中空微针阵列。为实现所需效果，采用了新型双泵并行异步驱动结构。研究人员搭建了测试平台，研究了原型微泵的输出流量及其与背压的关系。高速摄像机捕捉到了由所提出结构驱动的全程前向流动，与仿真分析高度一致。此外，研究人员对正常小鼠和糖尿病小鼠进行了胰岛素递送的动物实验，以验证该器件在可控、高精度TDD系统中的可行性。
相关研究成果已经以“High-precision transdermal drug delivery enabled by a dual-pump parallel valveless piezoelectric micropump integrated with hollow microneedles”为题发表于近期的Microsystems & Nanoengineering期刊。
集成中空微针的无阀PZT微泵整体结构及工作原理示意图
上图展示了集成中空微针的无阀PZT微泵的整体结构。该器件由两个PZT驱动器、一个带有喷嘴/扩散器结构的泵体以及一个7 x 7的中空微针阵列组成。PZT驱动器由粘接在铜基板上的PZT陶瓷制成，作为PZT微泵的驱动元件。该器件的一个重要特征是双泵并行结构。两个泵腔的入口是独立的，通过内部流道将出口并联连接到中空微针阵列。
中空微针阵列
所设计的7 x 7中空微针阵列采用3D打印技术，由生物相容性树脂材料制成。显微镜图像显示，成功制造出锋利且均匀的微针尖端，微针完全为空心。中空微针的通道直径为100 μm，壁厚为80 μm。微针呈锥形，底部直径为370 μm，长度为800 μm。微针间距约为1 mm，足以防止“钉床”效应。研究人员建立了仿真模型以测试微针阵列内的流体流动。
器件测试实验
总结来说，研究人员展示了一种与中空微针集成的无阀PZT微泵，并构建了无阀PZT微泵的3D仿真模型，研究了微泵的流动特性，特别是回流特性。结果表明，所提出的双泵并行结构通过异步驱动可以实现全程前向流动。研究人员建立了中空微针阵列的3D仿真模型，以验证阵列内部流体流动的均匀性和微针的机械性能。
泵体和微针阵列采用3D打印技术和生物相容性树脂材料制造。测试结果表明，在40 V、600 Hz的正弦驱动信号下，微泵的输出流量约为1.61 mL/min。在400 Pa的背压下，微泵仍能驱动流体流动，输出流量约为0.8 mL/min。通过高速相机模块验证，异步驱动的并行无阀PZT微泵能够实现全程前向流动。
在动物实验中，该器件成功将胰岛素输送至小鼠体内并控制血糖，验证了其应用于经皮给药系统的可行性。总而言之，该器件为可穿戴给药系统的应用提供了参考。与其它集成微针的压电微泵相比，该器件具有控制良好、驱动电压低、精度高及稳定性高的优点。在实际应用前，研究人员将进一步减小器件尺寸，结合更紧凑的电源和控制芯片，以及柔性PCB技术，以增强其在柔性可穿戴经皮给药系统中的应用潜力。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-025-01003-4
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