我国科学家研发新型生物电子器件 实现精准全器官药物递送

长期以来,面向卵巢、眼球、肾脏等曲率变化大、表面形态复杂的器官开展精准给药与基因递送,始终面临一道“结构与生物”双重难题:一方面,传统贴片或电刺激器件难以在器官表面实现稳定、无褶皱贴合,导致作用面积不足、能量分布不均;另一方面,细胞膜天然屏障使药物和基因载荷进入细胞效率有限,若依赖更高电压或更强刺激,又易带来组织损伤和安全风险。

如何在“高共形、广覆盖、低损伤、高效率”之间取得平衡,是生物电子医学从概念走向临床应用必须跨越的关键门槛。

此次北航团队的突破,源于对器官几何与器件结构之间关系的系统建模与工程化落地。

研究团队提出“器官定制化剪纸共形理论”,将剪纸结构的关键几何参数与器官曲率、材料属性建立定量关联,相当于为器官“扫描测量”并自动生成最合身的结构方案。

该方法兼顾贴合度与功能面积,在复杂曲面上实现超过95%的有效覆盖率,破解了过去“贴得紧就盖不全、盖得全就贴不紧”的矛盾,为后续精准电场作用与稳定递送奠定基础。

在器件实现层面,POCKET采用多层功能化设计,并通过飞秒激光加工形成可定制的剪纸拓扑结构,使其能够像“电子外衣”一样紧密包覆多种器官表面。

更重要的是,贴合带来的微尺度空间稳定性,使器件底层纳米孔道可以与目标细胞形成精确的空间并列,从而在较低电场条件下实现电场“聚焦”。

据研究描述,高阻抗纳米孔道产生显著电场集中效应,可在细胞膜局部实现可逆开启;同时孔道内形成的高强度电场梯度带来更强电泳驱动力,显著提升载荷迁移效率,使递送速度提高近千倍,在低工作电压下同步实现较高效率与较高安全性,形成“纳米电穿孔”效应的工程化方案。

从影响看,这项成果的意义不仅在于提出一套新器件,更在于提供了一条可扩展的技术路径:以“器官几何—器件结构—微纳电场—细胞递送”全链条协同为核心,实现从宏观贴合到微观作用的一体化设计。

研究团队在多种动物模型及离体人类组织中验证其功能,提示该平台有望为卵巢癌预防、器官损伤修复等方向提供新的精准干预工具。

对生物电子医学而言,这类可植入、可定制、可无线供能和长效工作的柔性器件,有助于拓展从体外操作向体内长期调控的应用边界,并可向肝脏、心脏、肺等更多内脏器官推广,形成“按器官定制、按需求递送、按疗程调控”的治疗与修复新模式。

面向转化应用,研发与产业之间的衔接同样关键。

该研究在国家自然科学基金项目与重点研发专项等持续支持下推进,团队已实现核心技术由实验室验证走向产业化,相关孵化企业完成多轮融资,首款转化产品亦已在皮肤健康等领域应用。

这一进展表明,前沿医工交叉成果只有在质量控制、可制造性、可靠性验证与规范化应用场景中持续迭代,才能真正转化为可及的医疗产品与服务能力。

下一步,围绕医疗级设备应用,还需进一步在长期生物相容性、植入稳定性、无线供能安全性、跨个体差异适配以及临床试验路径等方面完善证据链,推动从“可用”到“可广泛使用”的跨越。

前景判断上,随着微纳加工、柔性电子与生物材料不断成熟,“器官级精准递送+细胞内高效转运”的组合有望成为个体化治疗的重要方向之一。

尤其是在肿瘤预防干预、器官再生修复、免疫调控与基因治疗等领域,既需要高效率,也更强调低损伤和可重复操作。

POCKET所代表的“可定制共形器件+低电压纳米电穿孔”路线,提供了可复制的工程框架与可扩展的平台思路,未来若能与临床真实需求、诊疗流程和监管标准深度对接,其应用场景与产业空间值得持续关注。

这项研究成果的发表,不仅代表了北京航空航天大学在医工交叉领域的创新能力,更反映了我国科研团队在前沿医疗技术上的国际竞争力。

从"器官定制化"的设计理念到"纳米电穿孔"的精准递送,每一步都体现了对基础科学规律的深刻理解和对临床需求的准确把握。

随着该技术的进一步完善和推广应用,有望为更多患者带来生命的希望,同时也为我国生物医学工程领域的自主创新树立了新的标杆。