由于 MEMS 器件微型化、便携、高灵敏度、靠近生物组织大小等自身上风。近年来，基于 MEMS 技能的生物传感器和微流控系统受到大量关注，为生命科学的研究和探索供应了有力的工具，现已在生物医学工程等领域得到广泛运用。目前发展较多的是在疾病监测等方面的运用，在药物开释上的运用相对较少，但值得关注的是 MEMS 器件在药物开释上的运用有巨大潜力。与研发新药比较，开拓药物开释系统可节省80%的用度和一半的韶光，同时药物开释系统可以使产品差别化并延长产品生命周期，已经成为当今医药工程研发的新趋势。目前，MEMS 器件在药物开释中的运用仍处于低级阶段，还有极大的潜力和发展空间。
MEMS 器件在药物开释中的运用药物开释系统紧张包括：口服药物开释系统、靶向药物系统、透皮给药系统、粘膜药物开释系统、细胞微囊化药物开释系统和微加工药物开释系统。MEMS 器件在药物开释系统中属于微加工药物开释的范畴。目前，已经研制出的基于 MEMS 器件的药物开释系统包括：微针阵列、微储药库、微泵、微流控等，个中微针阵列是通过透皮给药办法实现药物开释；微储药库在药物开释系统中属于储存药物的装置；微泵可以驱动药物运输；微流控系统可以实现体外制备药囊、药物筛选、运输及开释功能。
微针阵列
透皮给药技能是指通过改变皮肤渗透性，使药物以恒定速率穿过角质层进入人体血液循环，达到运送药物和治疗效果的新方法。微针阵列是透皮给药技能在MEMS器件中最紧张的办法，该方法仅刺破皮肤的浅层而不触及含神经的皮肤深层组织，可以实现无痛、微创、高效的透皮给药，尤其是对付小分子药物、疫苗等具有明显上风。该戒备除了可以减少患者痛楚， 比较于传统的口服药物的方法，该方法战胜了口服药物的首过效应，极大提高了有效治疗的血液药物浓度的韶光，从而达到提高药效的目的。
微针阵列是指尖端直径在几十微米以下、长度小于1 mm的微型针头阵列，可分为实心微针阵列和空心微针阵列，分别如图 1 (a)、 (b)所示。实在现药物开释的办法共有 4 种，如图 1 (c)所示。1998 年佐治亚理工学院的 Henry 等首次提出将微针阵列运用于药物开释系统中。他们利用反应离子刻蚀的方法成功制造出直径为80 μm、间距为150 μm 的20×20的实心微针矩阵。经由该方法处理过的皮肤对药物的通透性增加了4个数量级，极大地提升了药物的运输效率。实心微针用于药物开释紧张有3 种办法：①通过提高皮肤通透性促进药物接管，该方法仅需刺破皮肤表层后取出微针，再将药物施加在被刺破的皮肤表层，通过增加皮肤对药物的通透性来提高药物的接管效率；②将小分子药物直接涂在微针表面，微针刺直接将药物带入体内，进入循环系统，再将微针取出；③利用可以在体内分解接管的聚合物质料制成微针，该微针中包含着须要开释的药物，将微针刺入皮肤后不用取出，可以被身体直接分解和接管。
Gardeniers 即是2003岁首年月次制造出了空心微针，如图1(b) 所示，他们结合了深反应离子刻 蚀、湿法刻蚀和薄膜沉积的方法，制造出了长度范围在150 ～350 μm的空心微针。空心微针的制作工艺比较繁芜，但其功能也更为全面。它可以通过刺破表皮增加皮肤通透性的办法促进药物接管；还可以通过高速喷射系统产生的高压强刺激皮肤表层，增强皮肤的通透 性，帮助药物穿透皮肤表层进入体内，实现无痛药物开释。
对付以上金属和硅材质的微针而言，其机器强度和锐利度非常主要，这关乎它刺入体内的疼痛感和安全性。过于锋利的微针虽然减少了痛感，但稍有不慎就会导致微针断裂等问题，若残渣流入血管可能会造成更大的医学事件。因此近年来很多科学事情者都将重点放在了生物可降解和水溶性材料制作的微针上。人体可溶解的微针多采取磨具添补的制作方法。较为传统的方法是通过一种可降解的材料制作微针和基底，但该方法缺陷是，当取下基底时，会有部分微针被基底带走。Moga 等利用两种不同的材料制成微针和基底，个中微针的材料可以被人体分解，基底材料是水溶性的。将微针阵列刺入皮肤后，利用液体将基底溶解，即可将微针阵列完全地留在体内，如图 1(d) 所示。该方法提高了微针的生物兼容性，减少了对皮肤的机器损伤。
图1 微针在药物开释中的运用
微针在药物开释中的运用有诸多优点，但仍存在一些问题和寻衅。首先，设计的微针尺寸与输入物质的尺寸范围及运送量的关系须要进一步确认。如：不同尺寸和材质的微针刺破的皮肤孔径大小和所须要的规复韶光不同，会影响详细进入体内的药物量。其次，对付溶解性微针，由于人体酸碱环境较为繁芜，材料的选择须要有更大的耐受范围，对付不同的材料，其在体内的溶解速率也须要进一步研究。除了从皮肤表皮通过微针开释药物的办法，将微针植入体内实现更局部的药物开释也具有重大意义。例如一些肠道疾病，通过微器件的植入，可以在患病局部实现药物开释，更好地促进药物的接管，减少药物对其他组织的侵害。Traverso 等已经实现将微针插入猪的肠道中来验证微针植入体内实现更局部的药物开释的可能性，但详细临床运用还须要进一步研究。
微 泵
微泵因此微加工技能为根本，结合微流道构造，实现微流体泵出功能的微器件。它是微创体腔内诊疗中的动力和实行部件，可以连接微操作系统、微定位，实现液体微给进的功能。微泵在微量药物靶向运送等医疗运用中起着关键的浸染，具有很高的运用代价。
按驱动办法来看，微泵可以分为机器式和非机器式两种。机器衰落泵是由一个力学的实行构造引起泵腔内压力变革来传输和掌握液体。根据机器驱动办法不同，可以分为：静电驱动式、压电驱动式、热驱动式、电磁驱动式和影象合金衰落泵，最大略的机器衰落泵模型是通过膜的运动来驱动微流体泵出的。1990年 Smits首次利用硅基制作的机器蠕动泵，如图2(a) 所示。该机器蠕动泵是由压电晶体的柔性薄膜制成，他们利用该机器蠕动泵向体内注入胰岛素，并实现坚持糖尿病患者的血糖浓度平衡。这项研究首次证明了用硅基制作微泵的可行性。但该机器蠕动泵自身存在制作工艺繁芜，驱动电压高档不敷，因此限定了其运用的广泛性。随后，基于热驱动办法的微泵的研究逐渐增多，热驱动式是指利用加热产生气动压力直接驱动液体的办法。该办法不改变液体的属性，仅通过对气体加热时气体膨胀来实现液体的驱动，该方法驱动电压低、驱动力大，但构造较为繁芜。随着人们对微流体驱动的深入研究，创造了一些新的非机器运输办法，这些办法不须要制作繁芜的薄膜驱动构造，具有制作工艺大略，驱动速率小，可以更精确地掌握微量液体等特点。
非机器驱动办法紧张受液体的性子和固液界面的材料影响，如溶液导电性、pH值等。现有的非机器微泵按照驱动办法可以分为：电液力驱动式、电渗流驱动式、曲面波驱动式、气泡驱动式、磁液力驱动式、渗透驱动式等。电液力驱动是指液体中的离子在静电浸染下运动，从而带动液体流动的方法。该方法通过在腔体中的电极阵列上施加正弦电压，在其电场的浸染下，带电离子受到了库仑力的浸染下朝着与自己带电荷相反的方向运动，由于液体中的黏滞力，从而实现液体的定向驱动。电渗流驱动办法是指在固液表面的双电层的影响下，电荷在双电层内外电场分布不均而导致的离子迁移。这种方法制作工艺大略，不须要制作薄膜驱动构造，仅通过外加电压来实现液体的驱动，但该方法须要的驱动电压较高，且驱动液体必须为导电液体。
渗透驱动式制作工艺最大略，不须要外部供应能量，通过一个只有水能透过的半透膜稀释药物，随着水分子进入存放药物的装置，药物的体积随着稀释而增大，从而驱动药物开释，如图2(b) 所示。若驱动的药物浓度始终处于饱和状态，即可以保持药物的均匀开释速率。该办法下药物可以以固体形式保存，从而大大减少了器件存储药物模块的体积。因此该驱动办法可以使其制作成体积最小的药物开释系统。为了有效掌握药物均匀开释，可通过设计流道形状来掌握药物流动轨迹，如：加入随着压强变革的可移动隔板( 如图 2 (c) )，当药物被逐渐稀释时，隔板的运动可以担保储药装置内外的恒定压差，从而使其可以以恒定速率开释，或者设计弯型的流道构造来掌握流速。正是由于渗透衰落泵的各类优点，近年来，该办法得到了广泛关注并逐渐走向商业运用，LiRIS、ALZET、DUROS等公司都推出了基于渗透驱动的药物开释系统，如图 2(d)所示。
图2 微泵在药物开释中的运用
微泵在与微流道、微储药库、微传感组件结合的微检测系统中紧张承担驱动功能。微泵的运用还受到以下成分的限定：优化微泵构造精确掌握流速和力度，在药物泵出时不毁坏药物构造；硅基底的微泵已经得到开拓，对付植入体内的微器件而言，还须要研发持久耐用和有生物兼容性的新型材料及其配套工艺，从而制造出体积小、功耗小、生物兼容、可植入体内的新型微泵器件。
微储药库
微储药库在药物开释系统中担当着存储药物的功能。将硅基底以特定排列刻蚀出槽，再将药物放入槽中，用具有特定属性的薄膜封口，通过给储药库的薄膜施加旗子暗记，逐一掌握薄膜的溶解，可以实现药物定时定点开释。这种办法可以每次开释一剂药量，根据血液中的药物浓度逐渐开释，使药物浓度始终坚持在有效的治疗范围中，避免了传统的经脉给药单次开释药物过高、坚持有效药物浓度韶光短等缺陷。
第一个提出微储库做药物开释的是 Santini等，如图3(a)所示，在沉积了氮化硅的硅基上用电子束蒸镀出金电极，再利用反应离子刻蚀的方法刻蚀硅形成台锥型的槽。每个微储药库中都存放着一定量的药物，当须要掌握药物开释时，在阴极和须要开释药物的微槽表面的电极上施加电压，阳极的电极逐渐溶成可溶解的氯化金，使药物自由扩散到溶液中，完成药物开释。该方法即可单独实现药物的储存和开释，在详细的运用中，单个储药库储药量有限，且仅能存放单一药物。因此将微储库设计成微阵列构造可实现更多样化的功能，如图3(b)。每个微槽中存放不同种类的小剂量药物，通过外加电压掌握单个微槽的药物缓慢开释，不但可以实现更多可控的开释速率，还能实现不同药物在指定时刻的开释，提高治疗效果，Maloney 等通过对温度敏感的金属做封盖药槽的薄膜，当施加电流使金属达到溶解温度，药物即可开释出来。除了单独利用微储药库完成药物开释，多数情形是微储药库与驱动系统和掌握系统相结合组成智能芯片。Prescott 等研发出了基于脉搏的掌握微储药库阵列开释抗癌药物的可植入芯片，如图 3(c) 所示，植入小狗体内6 个月，实验结果表明，芯片可以有效掌握药物开释，开释量均可以达到治疗的效果。
图3 微储药库在药物开释中的运用
微储药库是药物开释芯片供应药源的根本，是实现无线掌握的可植入体内药物开释芯片中不可或缺的部分，未来还须要研发储存量更大、更安全的微储库构造以及生物兼容、可体内降解的微储库材料。
微流控芯片
微流控芯片是实现微全剖析系统的紧张研究平台和载体。在微流控芯片的制作材料中，除了 MEMS 器件常用的硅以外，还有石英、玻璃以及多种有机聚合物，如聚二甲基硅氧烷( PDMS) 、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA) 、聚碳酸酯(PC) 、聚乙烯(PE) 等。
药物开释中，除了掌握药物开释，制备具有靶向性、耐受性的药物载体也十分主要。常见的药品载体有：微乳 (microemulsion) 、脂质体 ( liposomes) 、微球与微囊 (microspheres) 、微粒 (microparticles) 。在传统的药物载系统编制备中，存在机器搅拌外力过大、不屈均等问题，由此造成了载体构造差异大、均匀性差等特点，而微流控系统可以通过操控流体轨迹和速率来合成更均匀稳定的药物载体。常见的合成药物载体的办法有自组装合成、液滴和乳滴合成以及非球形合成等。Lo 等设计的流体聚焦通道(见图 4(a) ) ，将两种可溶的液体分别通入中间和两侧的流道，中间流道是包含表面活性剂的液体，中间和两侧液体同时通入在液体交汇处充分稠浊，调节流速和流道的形状可以合身分歧大小的囊泡。
这种流体聚焦办法可以合成10～100 nm 的载体粒子。随着微流掌握备微球、微粒的技能日渐丰富，基于液滴制备药物载体在微流控中的运用更加成熟。这种药物载体是利用两种或多种不相容的液体在微流道中剪切力和表面张力共同浸染下形成，通过掌握流体速率、溶液黏度和表面张力来掌握载体 大小。增加油水相交汇的次数可以制成微球、微凝胶、微泡、微囊等多层构造的载体。如图 4(b) 所示，Teh 等利用不相溶液体在交叉流处表面张力和剪切力的变革，实现了双层乳滴药物载体，这种载体的稳定性 可以坚持3个月以上。近年来，随着研究的深入，有科学家创造药物的形状对其体内的分布、接管机制及循环有影响，因此非球形的药物载体也受到关注。现在可以制成的载体形状包括：条形、三角形、五边形等多边形、平面构造以及立体构造，如图4(c)所示。可以通过不同模板的形状或通过对表面进行分外装饰使相邻的乳滴自发相溶的事理合成条形、三角形、五边形等形状的药物载体。平面构造的药物载体可以利用流动的光刻技能实现。利用透过特定形状的光掩模板的紫外光，照射流过的具有感光性的聚合物，形成对应的平面形状的药物载体构造。通过掌握感光聚合物在流道中流动的速率还可以形成立体构造的药物载体。目前利用微流控操作技能可以制备出眇小、构造繁芜、均匀性好的药物载体，但由于产量低难以实现家当化，目前还处于实验室研究阶段。随着微流控技能、材料科学、表面处理以及芯片设计加工技能的快速发展，在未来有可能实现药物载体的大规模制备。
对付一个完全的药物开释系统，紧张包括的模块有：微储药库、掌握药物进入体内的微驱动装置和微注射装置、微传感模块和旗子暗记采集处的掌握模块。前面已经谈论过微储蓄库、微泵驱动和微针注射药物运送模块。加入微传感模块和微掌握模块给药物开释系统成为闭环回路供应可能。Tsai 等将葡萄糖传感器设计在药物开释系统上，并将传感器设计到了储药库的内 侧盖子上以减少体液对传感器的刺激，如图 4(d) 所示。当施加0. 8 V 的电压时，驱动药盖打开并暴露出传感器，在扩散浸染下药物开始开释的同时，传感器对液体中的葡萄糖含量进行检测。当传感器检测到附近的药物浓度达到一定阈值时，驱动药盖关闭，这样可以有效地掌握药物的开释量。除了在器件构造上的创新和完善，器件材料以及其生物兼容性也是重点的研究方向，如可穿着的柔性 MEMS 器件的设计。Son 等研发出了有温度传感器并能储存数据的柔性贴片式药物开释器件，将含有药物的纳米粒子和存储功能的电极嵌在一侧，在另一侧是开释热量的电极和温度传感器，电极发热可以增加皮肤通透性。通过剖析和处理存储 器中反应出的4 种温度旗子暗记来判断温度的大小，当温度过高时停滞加热，以免温度过高时侵害皮肤和药物属性。这种结合了掌握反馈装置的药物开释系统，极大提高其智能性，使得 MEMS 芯片植入体内实现药物开释成为可能。
总结与展望MEMS 芯片可以实现直接、靶向、小剂量的局部给药，这种办法不但给药方便，给药次数少，坚持有效治疗药物浓度韶光长，还提高了药物的生物利用度，比传统方法更安全、高效。目前，已经开拓的 MEMS 器件运用于药物开释的有：体外合成药物载体、透皮给药、微泵驱动、微储药库开释、微传感器以及集成以上功能部件组成的微开释系统。组成一个完全的药物开释系统须要系统组件间的合营，以及须要加入监控反馈机制等。首先利用微储药库储存药物，微泵从微储药库中驱动药物，若在体外进行药物开释，则须要一些透皮给药办法如微针或贴片的药物器件，在药物开释的同时须要利用传感装置不雅观测药物开释浓度及生命体征，再通过数据处理和反馈信息，掌握药物的运送韶光和运送量。根据监控病人的身体状况来确定开释药物的种类、开释量、开释韶光，确保有效接管，避免药物过量等不良反应。
目前很多科学家已履历证了集成的药物开释芯片系统在体内运用的可能性。但体底细况繁芜，如酸碱度在身体各部分有较大差别，须要设计更合理的器件材料和设计构造，从而实现体积更小的芯片构造，同时确保大量的不同种类的药物的长期安全存储，对付须要植入的芯片，须要确保器件的材料植入后不会与人体发生排异征象，还须要供应有效的植入和取出芯 片的方法或研发生物机体可以自动代谢的新材料。
对付 MEMS 器件在药物开释中的运用，除了以上提到的器件在药物开释系统的搭建和完善之外，研究基于细胞水平和分子水平的药物开释实现靶向治疗也有非常广阔的前景。微器件不仅可以承担运输药物的角色，也可以通过其自身眇小的特性实现进一步的功能，为MEMS器件的运用供应更大的发展空间。很多文献表明，纳米线、纳米吸管等纳米构造的引入会影响细胞的构造和基因表达。VanDersarl等制作的涂油药物的纳米吸管直接刺入细胞膜，增加细胞表面的黏附力，从而增加给药韶光。除此之外，这种从微器件构造出发在细胞层面上对药物开释的研究，还可以利用 MEMS 器件自身引发的声、光、电磁、热场帮助和促进细胞接管药物。随着对 MEMS 器件的深入研究，必将开拓出利用自身引发的物理场引发细胞膜乃至细胞构造的变革，从而提升药物进入细胞的新型MEMS器件，终极实现体积更小、功能更多、能耗更低、无线掌握，集传输、引发、监测、反馈、调节于一体的智能化、个性化的 MEMS 药物开释系统。MEMS 器件在药物开释中的运用不但为生命行为的研究供应了主要手段，也为疾病的治疗和人类的康健带来福音。
