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經(jīng)皮給藥在醫(yī)學(xué)治療上已有較大貢獻(xiàn)。相對(duì)來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)直接給藥方法（注射或口服）適用于全身性疾病和需要立即給藥的急性疾病，而對(duì)于某些局部疾病，需要主動(dòng)和靶向釋放機(jī)制來(lái)降低非靶點(diǎn)的毒性并提高治療的總體療效，經(jīng)皮給藥系統(tǒng)具有顯著優(yōu)勢(shì)。目前，加速藥物經(jīng)皮導(dǎo)入的策略主要包括傳統(tǒng)化學(xué)增強(qiáng)、離子促滲、超聲促滲、微針等。超聲促滲，即利用超聲波的物理效應(yīng)促使藥物導(dǎo)入或穿過(guò)皮膚，如甘油、透明質(zhì)酸（HA）、煙酰胺、納米顆粒、蛋白質(zhì)、DNA和病毒疫苗。與傳統(tǒng)化學(xué)增強(qiáng)劑和離子導(dǎo)入相比，超聲促滲可以在更大的分子量范圍內(nèi)增加皮膚的滲透性，最大可達(dá)數(shù)萬(wàn)道爾頓（納米級(jí)長(zhǎng)度），而不涉及對(duì)活細(xì)胞的刺激或毒性以及嚴(yán)重的皮膚疼痛。微針可以導(dǎo)入小分子，也可以導(dǎo)入大分子，但它具有物理入侵性，這增加了對(duì)安全性和無(wú)菌性的額外考慮。超聲促滲包括低頻超聲促滲（LFS，20-100 kHz）和高頻超聲促滲（HFS，≥0.7 MHz）基于空化效應(yīng)，但LFS的空化產(chǎn)生在皮膚表面上，而HFS的空化發(fā)生在皮膚細(xì)胞間。其他機(jī)理如熱效應(yīng)，在某些情況下也可能發(fā)揮重要作用。

改善面部健康狀況對(duì)所有年齡段的人均具有重要意義，設(shè)計(jì)出可穿戴柔性電子器件將超聲促滲技術(shù)應(yīng)用于面部健康護(hù)理是頗有吸引力的想法。近年來(lái)，研究設(shè)計(jì)和制備出一系列的大變形柔性超聲器件，這些器件在醫(yī)療健康領(lǐng)域頗有應(yīng)用潛力，其中多數(shù)用于貼合復(fù)雜表面來(lái)監(jiān)測(cè)或成像內(nèi)部結(jié)構(gòu)，如復(fù)雜內(nèi)部缺陷的三維圖像、中心動(dòng)脈血壓、深層組織血液動(dòng)力學(xué)、血流速度等。關(guān)于此類(lèi)超聲器件的主動(dòng)治療能力，有研究開(kāi)發(fā)了柔性超聲治療貼用于加速慢性傷口愈合。然而，目前，尚未發(fā)現(xiàn)有研究將其應(yīng)用于經(jīng)皮給藥或?qū)⑵鋺?yīng)用于具有大面積、復(fù)雜表面的整個(gè)人臉。

中國(guó)科學(xué)院力學(xué)研究所研究員蘇業(yè)旺團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了一種可拉伸電子面膜（SEFM），可集成各種傳感器和執(zhí)行器，作為面部健康護(hù)理平臺(tái)（圖1）。作為一個(gè)器件級(jí)的演示，將超聲促滲的功能組件集成在平臺(tái)上，以促進(jìn)經(jīng)皮給藥。SEFM由可拉伸島橋網(wǎng)狀電路、特別設(shè)計(jì)的諧振頻率為1MHz的壓電陣列和人臉狀封裝組成。為了克服人臉大面積復(fù)雜曲面帶來(lái)的技術(shù)挑戰(zhàn)，本工作開(kāi)發(fā)的關(guān)鍵設(shè)計(jì)和技術(shù)（圖2）包括壓電元件的單側(cè)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)低彎曲剛度和高彎曲能力；由兩個(gè)平面半臉部分沿非直線邊界拼接的封裝層設(shè)計(jì)，能夠?qū)崿F(xiàn)平面島橋網(wǎng)狀電路的封裝，并可與具有三維復(fù)雜曲面的人臉共形貼合；單面軟壓（SSSP）封裝工藝，進(jìn)一步降低SEFM的剛度；有機(jī)-無(wú)機(jī)復(fù)合結(jié)構(gòu)，以增強(qiáng)互連導(dǎo)線（“橋”）的延展性和魯棒性；具有細(xì)長(zhǎng)外形的四柱設(shè)計(jì)，以實(shí)現(xiàn)均勻的聲強(qiáng)和較大的聲場(chǎng)總功率，其中許多可擴(kuò)展到其他可拉伸電子器件的設(shè)計(jì)和制造。研究通過(guò)有限元方法和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了SEFM的力學(xué)、熱學(xué)、電學(xué)和超聲性能（圖3、4），并通過(guò)動(dòng)物實(shí)驗(yàn)和人臉實(shí)驗(yàn)證明了SEFM對(duì)于加速透明質(zhì)酸導(dǎo)入皮膚的效果（圖5）。此外，前人文獻(xiàn)已證明的其他藥物也可以通過(guò)使用SEFM更有效地穿透皮膚，以達(dá)到不同的治療效果。該成果具有重要的基礎(chǔ)研究學(xué)術(shù)意義以及較好的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用前景。

近日，相關(guān)研究成果以Stretchable Electronic Facial Masks for Sonophoresis為題，發(fā)表在ACS Nano上。研究工作得到大連理工大學(xué)、中科院動(dòng)物研究所、哈爾濱工業(yè)大學(xué)的支持，并得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院基礎(chǔ)前沿科學(xué)研究計(jì)劃“從0到1”原始創(chuàng)新項(xiàng)目、中科院“創(chuàng)新交叉團(tuán)隊(duì)”項(xiàng)目等的資助。

圖1.SEFM的展示與機(jī)理：a、SEFM的使用示意圖，b、SEFM的外視圖，c、SEFM的內(nèi)視圖，d、可拉伸島橋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)電路照片，e、可拉伸島橋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)電路示意圖及其等效電路圖，f、單個(gè)島的放大視圖，g、SEFM超聲促滲的底層機(jī)理示意圖

圖2.SEFM的設(shè)計(jì)與制備：a、SEFM中可拉伸島橋網(wǎng)狀電路的制作工藝；b、用于封裝的外硅膠層的折疊/展開(kāi)兩種狀態(tài)；c、折疊/展開(kāi)兩種狀態(tài)之間應(yīng)變改變的有限元分析；d、用于封裝的SSSP技術(shù)，e、SEFM的實(shí)物圖像和封裝后內(nèi)表面的不平整形貌放大圖；f、厚軟彈性體、島橋網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)、粘合劑與封裝層之間的相互作用

圖3.SEFM的力學(xué)與熱學(xué)性能。a、拉伸；b、彎曲；c、扭轉(zhuǎn)；d、單側(cè)設(shè)計(jì)與雙側(cè)設(shè)計(jì)的比較以及兩種設(shè)計(jì)下受到彎曲曲率為0.022 mm-1時(shí)的應(yīng)變分布；e、相對(duì)于人體皮膚的彎曲剛度隨彎曲曲率的變化曲線；f、相對(duì)人體皮膚的拉伸剛度隨施加應(yīng)變的變化曲線；g、直長(zhǎng)條形Cu/PI/Cu復(fù)合結(jié)構(gòu)（厚度為18/100/18 μm）的拉力與相對(duì)電阻變化隨施加應(yīng)變的變化曲線；h、Cu/PI/Cu復(fù)合結(jié)構(gòu)蛇形互連導(dǎo)線的單軸拉伸到50%施加應(yīng)變時(shí)的應(yīng)變分布；i、在30°C的環(huán)境溫度下，輸入6 W電功率時(shí)，SEFM佩戴在面部且其一半?yún)^(qū)域工作時(shí)的溫度分布

圖4.壓電元件的設(shè)計(jì)與性能。a、通過(guò)一維壓電理論模型得到了壓電柱的諧振頻率與長(zhǎng)度之間的關(guān)系；b、不同橫截面積壓電柱振動(dòng)模式的比較；c、兩柱和四柱設(shè)計(jì)的聲強(qiáng)分布比較；d、兩柱和四柱設(shè)計(jì)之間聲場(chǎng)總功率的比較；e、單個(gè)壓電柱的阻抗-頻率曲線；f、最終封裝后SEFM的四分之一區(qū)域的阻抗頻率曲線；g、間接證明SEFM向水滴發(fā)射超聲波的視覺(jué)效果；h、FEA和實(shí)驗(yàn)的聲場(chǎng)分布比較

圖5.HA經(jīng)皮導(dǎo)入實(shí)驗(yàn)。a、SEFM對(duì)Sprague-Dawley大鼠的HA經(jīng)皮導(dǎo)入；b、不同皮膚深度下羅丹明標(biāo)記HA的測(cè)量；c、對(duì)照組和超聲組在不同皮膚深度下的熒光亮度比較；d、偽彩色處理后對(duì)照組和超聲組在不同皮膚深度下的典型共聚焦顯微照片；e、對(duì)照組/加熱組和超聲組在不同皮膚深度下的熒光亮度比較；f、對(duì)照組/加熱組和超聲組的組織切片比較，直觀展示導(dǎo)入深度；g、人真皮成纖維細(xì)胞與SEFM共培養(yǎng)的活/死染色結(jié)果；h、對(duì)照組和超聲組的組織切片比較，展示皮膚完整性；i、利用SEFM在面部的HA經(jīng)皮導(dǎo)入；j、對(duì)照組和超聲組皮膚含水量增量隨時(shí)間變化的比較；k、超聲組和對(duì)照組之間皮膚含水量平均值的相對(duì)增量