【金研动态】声控胶囊：我院团队巧用共振原理控释药物

从桥梁结构在特定频率风载下显著振动，到歌手飙出高音使玻璃杯微微震颤；从老式收音机调台时捕捉到清晰信号，到微波炉使食物中的水分子高效发热——这些现象背后都有一个相同的物理原理：共振。当外界激励的频率与系统的固有频率匹配时，能量高效传递，振动幅度急剧放大。这一原理不仅广泛应用于声学、机械、电磁等工程领域，也为生物医学的创新提供了重要启示。

浙江大学药学院、金华研究院和先进药物递释系统全国重点实验室顾臻教授、王金强研究员团队受耳蜗中毛细胞感知声波振动的启发，开发了一种仿生纤毛阵列，通过声学共振机制实现对钢琴音乐和语音等声音信号的可视化解析，并利用可听频率声波实现共振响应性药物递释（图1）。相关研究于近日发表于学术期刊《自然·生物医学工程》（Nature Biomedical Engineering），魏鑫伟研究员为该工作第一作者。

声音在人类感知和交流中扮演着独特而重要的角色。当前的声音检测技术多依赖于声音采集设备、放大器和复杂算法协同作用。而在人类听觉系统中，感知声音的过程则更为精巧——耳蜗中的基底膜和毛细胞随着外部声波信号发生振动，毛细胞通过其高度特化的纤毛束的偏转，将声波振动转化为神经信号。这一过程中，毛细胞顶部的纤毛结构发挥了重要作用。

图1 受耳蜗毛细胞启发的仿生人工纤毛阵列

受此启发，研究团队借助三维建模和高精度3D打印技术，模拟耳蜗毛细胞的纤毛结构，设计并制备了具有不同长度/直径比的仿生人工纤毛阵列。实验表明，具有不同直径（40 μm，100 μm，200 μm）和不同长度/直径比（30-100）的人工纤毛阵列可基于声学共振原理发生振动，其共振频率范围在100-6000 Hz，基本涵盖人类听觉常用频率范围。理论模型和实验数据进一步表明，仿生纤毛的共振频率与其直径成正比，与其长度的平方成反比。

图2 仿生人工纤毛阵列用于声音频率识别。（a）不同长度/直径比的人工纤毛阵列声音频率解析示意图。（b）不同音阶激励下的人工纤毛阵列振动图。（c）节选钢琴音乐《一闪一闪小星星》的乐谱、音乐信号及时频图。（d）节选钢琴音乐《一闪一闪小星星》激励下的人工纤毛振动模式。

为验证其声音频率识别能力，研究团队将共振频率与音乐音阶对应的不同纤毛集成于同一阵列，构建了一个音乐频率解码系统（图2a-b）。在《一闪一闪小星星》等钢琴音乐激励下，对应音阶的出现会引起特定纤毛的明显振动，其振动模式与乐谱音符以及音乐的时频图高度吻合（图2c-d）。此外，覆盖更广泛频率范围的不同纤毛的集成还可以解码更加复杂的人声信号，例如可以区分男声与女声发出的同一词语“drug delivery（药物递送）”，其振动响应与快速傅里叶变换生成的语谱图基本一致，显示出其在声音可视化解析方面的潜力。

图3 仿生人工纤毛阵列用于共振响应性药物递释。（a）人工纤毛阵列在水中共振的COMSOL仿真。（b）人工纤毛阵列在水中受到不同频率声波激励的粒子图像测速实验。（c-d）不同声波频率激励下距离纤毛下方1mm处的流速曲线及统计。（e）集成不同纤毛阵列的共振响应性药物递释器件。（f）禁食状态1型糖尿病小鼠在频率1激励下的血糖水平变化。（g）低血糖小鼠在频率2激励下的血糖水平变化。（h）非禁食状态1型糖尿病小鼠在多次频率1激励下的血糖水平变化。

研究团队进一步研究了人工纤毛阵列在液体环境中的共振特性。使用压电换能器作为激励源，结合COMSOL仿真和粒子图像测速（PIV）实验，发现共振状态下的纤毛可显著加速周围液体流动（图3a-d）。将模型药物涂覆于纤毛表面，证实纤毛的声学共振可有效促进模型药物释放与扩散。在此基础上，研究团队将仿生人工纤毛阵列应用于糖尿病治疗领域。分别将胰岛素和胰高血糖素载于不同长度/直径比的纤毛上，构建了胶囊型的共振响应性药物递释器件，植入1型糖尿病模型小鼠皮下（图3e）。通过施加不同频率的声学刺激，可选择性触发胰岛素或胰高血糖素的释放，从而实现血糖双向调控。实验显示，在频率1激励下，高血糖小鼠的血糖水平可在4.5小时内恢复正常并维持稳定至重新进食（图3f）；而在低血糖模型中，频率2激励则能加速血糖更快回升（图3g）。多次声学刺激还可使未禁食高血糖小鼠的血糖水平先下降后上升，展现出较好的程序药物控释能力（图3h）。

未来，这一仿生人工纤毛阵列可以进一步优化材料与结构设计，以拓宽频率响应范围，提升对复杂声音信号的解析能力，用于更多个性化任务的执行，包括与脑机接口、电子药物等领域的交叉融合。

来源 | 浙江大学药学院