北航团队研发智能口袋生物电子器件，精准递送药物或基因

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1月30日，本报于北京电（记者刘博超），近日，国际学术期刊《细胞》报道了，北京航空航天大学医学科学与工程学院常凌乾教授团队，与机械工程及自动化学院徐晔教授团队，在前沿交叉医学领域取得的最新进展：《一种剪纸结构的器官共形生物电子器件用于细胞精准递送》。他们与北京大学第一医院、中国医学科学院肿瘤医院、香港城市大学、美国伊利诺伊大学等单位联合，研发出一款柔性可植入生物电子器件，该器件是如同一个智能“口袋”的东西，它通过个性化定制，能够实现完美贴合于复杂形状的器官表面，并且通过“纳米电穿孔效应”，达成安全、高效、精准的全器官药物递送或基因转染。

对于患有遗传性卵巢基因突变的患者而言，临床指南通常给出切除双侧卵巢以及输卵管的建议，然而这却意味着会永久地丧失生育能力。现有的基因治疗技术，由于存在干扰人类基因库等潜在风险，所以在卵巢这类敏感器官上的应用被视作禁区。研究团队把目光投向了物理方法，也就是电穿孔，具体来说就是在细胞膜上施加电场，进而瞬时打开细胞膜，依据理论，能够通过精确控制递送深度，达成针对卵巢表面体细胞的基因干预，以此避免生殖细胞受到污染。然而，卵巢表面并非平整光滑，而是有着众多凹凸与沟壑，传统的电穿孔器件没办法做到在器官表面达成“高共形贴合”，正因如此，使得药物递送在可控性方面欠佳，效率也较低，最终无法从根源上达成精准治疗。

据介绍，常凌乾团队跟徐晔团队展开合作，从传统剪纸艺术当中获取灵感，创新性地提出了“器官定制化剪纸共形理论”，该理论首次构建了剪纸结构几何参数（像单元尺寸、铰链宽度）与器官曲率、材料属性之间的定量关联，给器官做“三维扫描”，还“智能生成”最为合身的外衣尺寸，进而指导设计出在特定曲率器官上既能够完全共形、同时又最大程度保留功能面积的剪纸贴片，有效覆盖率超过95%，攻克了“高共形”与“高覆盖”无法同时具备的难题。

整个器件采用了这样一种设计，它是具有四层功能的，其中一层是纳米孔阵列薄膜，专门用于与组织直接接触，还有一层是水凝胶储药层，负责将药物进行负载，再者是银纳米线电极层，它的作用是负责电场的分布，最后一层是柔性基底层，起到封装支撑的作用。这些结构彼此各不相同，它们通过飞秒激光精密加工，最后被赋予了定制化的，独特的剪纸拓扑，借助于这种独特技术从而能够达成一种效果：在不同物种的多种器官表面也就是像卵巢、眼球、肾脏这类器官的表面，实现高度共形、大面积状态下的贴合。

平台技术给卵巢癌预防、器官损伤修复等提供了新工具，它融合了柔性电子、微纳加工、无线供能等技术，达成了植入式器件的精准操控以及长效工作，能够扩展到肝脏、心脏、肺部等多种内脏器官的疾病治疗、再生修复还有功能调控，为未来生物电子医学的发展开拓了新范式。长期实验得出的结果表明，和口服给药加以比较，在能显著促使肾小管进行修复、对肾功能起到保护作用的状况下，局部递送几乎是完全规避了口服激素所引发的如骨质疏松、免疫力下降这类全身性副作用，进而展现出了其在慢性病管理里的优势。

在国家自然科学基金杰青项目给予的持续支持下，是常凌乾带领的团队，成功达成了相关技术从实验室迈向产业的跨越，而科技部重点研发专项也提供了持续支持。未来，这个团队会进一步去拓展其在医疗级设备领域的应用。