Abstract
针对药物微粒制备、生物医用材料涂层等生物医学相关领域研究，本文根据模块化设计理念，将压电式微喷技术与机电工程及自动控制技术有机结合，设计了药物微喷射多功能系统，包括喷射支持子系统、X-Y 运动平台、Z 轴子系统以及快速安装子系统。然后，对整个药物微喷射多功能系统进行了运行调试，并通过阿莫西林微囊制备、钛合金载药涂层制备及球囊电极涂层制备等应用，验证了该系统的多功能性、合理性及可行性，表明该系统或可作为基础平台应用于生物医学工程、制药工程等多学科交叉技术的实验与研究。
Keywords: 微喷射, 多功能, 系统结构, 设计与测试
Abstract
For the researches relating to the biomedical fields such as preparation of drug micro-particulates and biomedical materials coating, according to the modular design concept and combing the piezoelectric micro-jetting technology with electromechanical engineering and automatic control technology, the drug micro-jetting multifunctional system was designed, which included the spraying support subsystem, X-Y motion platform, Z-axis subsystem and rapid installation subsystem. The drug micro-jetting multifunctional system was run and adjusted. The versatility, rationality and feasibility of this system were validated by the experiments of amoxicillin microcapsule preparation, titanium alloy drug-loaded coating preparation and balloon electrode coating preparation. It was shown that the system can be used as basic platform in multi-disciplinary cross technology research such as biomedical engineering, pharmaceutical engineering and so on.
Keywords: micro-jetting, multifunctional, system structure, design and testing
引言
随着各种新兴技术的快速发展，针对应用于生物医学工程领域微系统技术的相关研究越来越广泛和深入，而其中与药物微粒化和生物涂层有关的研究已成为热点。药物微粒化是制备缓/控释制剂的有效途径，其常用方法主要有乳化法、喷雾干燥法、凝聚法、聚合法、相分离法等[1-2]。而生物涂层研究主要内容之一则为生物医用材料表面涂层抗菌改性，其主要方法有浸涂法、等离子喷涂、溶胶凝胶法、电化学沉积、超声喷涂法等[3-5]。虽然药物微粒化和生物医用材料表面涂层的工艺方法多种多样，但每一种方法均有其不足之处，如载药量少、成本较高、易引起环境污染等，从而很难满足生物医学工程领域的特殊要求。微喷射技术是近几年发展起来的一种微流体控制应用新型工艺技术，目前已在医学、生物制造、微电子等领域展开相关应用[6-7]。其中，基于压电控制的微喷射技术是在数字信号激励下，利用压电陶瓷材料的伸缩形变使喷嘴中液体产生脉冲流动，从而实现可控的液滴喷射[8-10]，它可实现飞升至皮升级液滴的定点、定量、定向及精细图形化喷射，为制备微米级微球和实现微纳米级药物的喷涂奠定了基础。近年来，笔者所在团队采用数字化微喷系统验证了压电式微喷射技术应用于微球制备和生物医用材料表面涂层的可行性[3, 11]。
当前的研究中，压电式微喷射技术制备微粒或进行涂层的装置基本都是单一功能型，存在一定的局限性，如：① 实现药物微球制备时使用静态喷头系统，而喷头插入溶剂中的深度依赖于手动调节，无法精确控制喷射出的液滴在溶剂中的初始位置[11]；② 进行材料涂层时，采用喷头系统与移动平台配合，但对涂层厚度的控制常采用间歇手动调节喷头高低来实现，导致每层厚度均匀性难以保证[3]；③ 在实施微喷射时，对喷头与喷涂对象（如人工骨、支架等）的对中位置的调节常会影响到定位的准确性、局部喷涂的精确性以及喷涂效率。
为了能更好地进行药物微粒化和生物医用材料涂层等方面的实验与研究，本文针对压电式微喷射技术在这些领域的不同应用要求，设计了一种药物微喷射多功能系统，希望可以克服现有相关系统功能单一、调节不精确、定位不准及效率低等不足，从而满足药物微粒制备、医用材料表面涂层及生物增材制造等功能需求。
1. 药物微喷射多功能系统整体设计
进行药物微喷射多功能系统整体设计，应基于其功能特点及应用，因此需考虑以下因素：① 基于微喷射技术的药物微粒制备，其对系统的要求主要在于需保证准确稳定的喷射位置，且含有喷射液滴的混合溶液需均匀搅拌等，这一要求需通过调整喷头安装机构和下方运动平台的相对位置得以实现。② 药物微喷涂层对系统的要求主要是涂层对象的相对平面运动和喷头高度的控制，而为了实现数字化和高精度涂层，需要系统提供协调的三维运动。③ 另外，为了实现微喷对象的快速精确定位与固定，系统必须设有快速定位与夹持装置。由上分析可知，为了实现药物微喷射多功能系统的多种功能，系统除喷头核心组件外，整体结构应包括喷射支持子系统、X-Y 运动平台、Z 轴子系统、快速安装子系统、监控与操作子系统及搅拌装置等其它附属装置。
基于以上原因，本文设计的药物微喷射多功能系统结构采用模块化设计，以方便组合、调节、更换等操作，如图 1 所示。其中，快速安装子系统、搅拌装置等根据需要而置于 X-Y 运动平台的载物台上；喷射支持子系统、X-Y 运动平台、Z 轴子系统可通过监控与操作子系统实现数字化和图形化操作控制。
图 1.
Drug micro-jetting multifunctional system
药物微喷射多功能系统
2. 各子系统结构设计
2.1. 喷射支持子系统
喷射支持子系统的设计以喷头（MJ-AL，MicroFab Inc.，美国）为微喷射核心组件，基于压电式微喷射原理，为使喷头正常喷射液滴，选用气压控制器（CT-PT-01，MicroFab Inc.，美国）和电控制器（CT-M3-02，MicroFab Inc.，美国）等构成喷射支持子系统，如图 2 所示。气压控制器可提供 0～420 kPa 的正压和－70～0 kPa 的真空压，调节精度为 0.2 kPa，能使药液平衡于喷头喷嘴位置；电控制器通过串口跟监控与操作子系统通信，可提供 − 140～140 V 工作电压及三种电压波形，为喷头内部的压电陶瓷提供所需波形脉冲电压信号，从而使喷嘴处药液按要求被挤压而喷射出去，保证喷射行为的完成。
图 2.
Schematic of spraying support subsystem
喷射支持子系统原理图
2.2. X-Y 运动平台
运动平台的作用是实现载物台在水平面上的运动控制，其性能指标直接影响整个药物微喷射多功能系统的轨迹喷点性能。根据整个系统的功能定位和精度要求，X-Y 运动平台由伺服电机驱动轴（Yamaha X-Y，Yamaha Co.，日本）和载物台组成，而伺服电机的运动则由运动控制器（Yamaha-ERCX，Yamaha Co.，日本）通过二次开发程序实现，从而对载物台 X、Y 方向运动进行高精度和快速响应控制。其中，X、Y 方向行程为 0～150 mm，定位精度为 5 μm，以满足载物台配合指定流程进行定点、直线、阵列微量喷射。X-Y 运动平台的控制路径如图 3 所示。
图 3.
Control path of X-Y motion platform
X-Y 运动平台控制路径
2.3. Z 轴子系统
为使药物微喷射多功能系统具备喷头高度控制，即 Z 轴调节功能，根据设计方法学有关设计定位和设计类型的基本概念[12-13]，以需求定位、功能定位为考量，明确 Z 轴子系统设计构思为：① 要实现的主要功能是可自动操控喷头单元在 Z 轴方向上的线性运动；② 结构组成应包括为 Z 轴调节提供动力的传动模块、实现 Z 轴调节的滑动导向模块、实现喷头坐标精确定位的喷头微调模块、实现准确观察喷射过程和迹象的视觉调节模块。据此设计的 Z 轴子系统结构如图 4 所示。
图 4.
Structure of Z axis subsystem
Z 轴子系统结构
Z 轴子系统采用稳定可靠的伺服电机（MSMF012L1U2M，Panasonic Co.，Ltd.，日本）、高精度和微进给可靠的滚珠丝杆滑台（FLS80-100，成都福誉科技有限公司，中国）以及精密微调机构，其中滚珠丝杆滑台有效行程为 100 mm。所以，通过微米级的运动控制，可实现喷涂厚度、喷涂轨迹及层次的精确控制。
2.4. 快速安装子系统
为了保证微喷射工作的效率和质量，针对不同形态喷涂对象的自动定心和可靠准确的定位或夹持需求，需要设计一种快速安装子系统，以配合喷射单元完成简单化、自动化、高效率和高成功率的相关应用操作。为此，快速安装子系统应由实施定位的定位模块、具备夹紧功能的夹持模块、可实现高度调整的调节模块和支撑平台组成，如图 5 所示。其中，定位模块设计有前后位置可调的 V 形块，而夹持模块则由两组结构相同、对称布置的组件构成。
图 5.
Structure of rapid installation subsystem
快速安装子系统结构
3. 药物微喷射多功能系统运行与测试
3.1. 系统运行调试
本研究设计的药物微喷射多功能系统的运行调试是以监控与操作子系统为基础，对喷射支持子系统、Z 轴子系统、X-Y 运动平台、快速安装子系统进行运行验证，包括检测喷头能否按照程序控制正常执行喷射行为、视觉模块能否正常观测喷头喷射行为和液滴状况、运动平台是否可以按照预定轨迹实现正常运动、定位夹持模块是否满足快速定位和稳定夹持等要求。具体调试流程如图 6 所示。
图 6.
Debugging process of drug micro-jetting multifunctional system
药物微喷射多功能系统调试流程
系统运行调试工作的完成，最终验证了药物微喷射多功能系统软硬件结构的合理性及各子系统的协调性，证明了该系统实现微量喷射多功能的可行性和可靠性。
3.2. 系统应用测试
3.2.1. 阿莫西林微囊制备
以浓度为 3% 的聚乳酸（lactic acid，LA）—羟基乙酸（glycolic acid，GA）共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］（LA∶GA = 50∶50，济南聚福凯生物技术有限公司，中国）为囊材、二氯甲烷（纯度为 99.7%，国药集团化学试剂有限公司，中国）为溶剂、阿莫西林（含量为 99.7%，武汉顶辉化工有限公司，中国）为原药，采用 80 V 喷头驱动电压、10 kHz 喷射频率、750 r/min 磁力搅拌器（GL-3250C，海门其林贝尔仪器制造有限公司，中国）转速和 40 μm 直径的喷头制备阿莫西林—PLGA 微囊，如图 7 所示。
图 7.
Amoxicillin—PLGA microcapsules
阿莫西林—PLGA 微囊
实验结果显示：① 微囊平均粒径为（61.55 ± 1.04）μm，相对标准偏差为 1.81%；② 扫描电子显微镜（Quanta x50 FEG，FEI.，美国）下的阿莫西林—PLGA 微囊为实心球形，表面光滑圆整，颗粒均匀度高；③ 超声溶解微囊，测定、计算得微囊的包封率为 61.42% ± 3.81%，载药量为 2.0% ± 1.36%（n = 3）。可见，微喷射系统制备阿莫西林—PLGA 微囊是可行的。
3.2.2. 钛合金三氯生—PLGA 载药涂层制备
针对“生物材料相关感染”问题[14-15]，以 PLGA（LA∶GA = 50∶50，济南聚福凯生物技术有限公司，中国）为载体、广谱抗菌剂三氯生（纯度为 99.9%，上海一飞生物科技有限公司，中国）为抗菌药物，采用 56 V 喷头驱动电压、1.1 kHz 喷射频率和 50 μm 直径的喷头分别进行 1 号钛合金和 2 号钛合金（TC4，东莞市腾峰锋金属材料有限公司，中国）表面 10 mm × 10 mm 区域的 10 层三氯生—PLGA 涂覆。
实验结果显示：① 扫描电子显微镜（Quanta x50 FEG，FEI.，美国）下观察到 PLGA 载药涂层完整覆盖钛合金表面，没有出现未涂覆斑点，整体光滑平整；② 根据药物释放曲线，如图 8 所示，在缓慢释放阶段（30～75 h），1 号钛合金（涂层 1）和 2 号钛合金（涂层 2）在 10 mL 磷酸盐缓冲溶液（pH = 7.2，上海一飞生物科技有限公司，中国）中释放的药物浓度均平稳增长、增幅变缓，能够达到有效的抑菌浓度。
图 8.
Drug release curve of triclosan—PLGA coating for tita nium alloy
钛合金三氯生—PLGA 涂层药物释放曲线
3.2.3. 射频消融球囊纳米银电极涂层制备
将 PLGA（LA∶GA = 50∶50，济南聚福凯生物技术有限公司，中国）和二氯甲烷（纯度为 99.7%，国药集团化学试剂有限公司，中国）溶剂混合为生物相容性载体材料，以高导电率纳米银油墨（MFCD00003397，西格玛奥德里奇贸易有限公司，中国）为电极涂层材料，采用 50 μm 直径的喷头先后将载体材料和涂层材料喷射至球囊（xc-7f-b，上海辛菖医疗器械有限公司，中国）表面，制备射频消融球囊电极涂层，如图 9 所示。
图 9.
Nanometer silver coating of electrode for radiofrequency ablation balloon
射频消融球囊电极纳米银涂层
实验结果显示：① PLGA 溶液含量为 24 mg/mL 时，喷射在球囊表面可形成生物相容性涂层，并为电极涂层提供载体；② 经 130℃ 高温加热固化 50 min 后，纳米银颗粒熔融聚集，形成射频消融球囊均匀致密电极涂层；③ 对纳米银涂层电极进行测定，电阻值为 1.3～1.8 Ω，低于 7F 温控大头电极导管的 3.37 Ω 和 8F 冷盐水灌注射频消融导管的 3.87 Ω，导电率较高，可大幅降低射频消融时间。
4. 结论与展望
药物微喷射多功能系统设计及其实现是生物医学工程学、机电工程学、计算机应用等多学科与微喷技术的协同研究；是新技术、新方法在生物医学工程中实际应用的尝试。药物微喷射多功能系统的构建与结构设计，体现了系统开发性设计定位和模块化设计理念，使药物微喷射实现了系统集成化、过程图像化、操作精细化。
本文的系统运行调试及阿莫西林微囊制备、钛合金三氯生载药涂层制备、射频消融球囊纳米银电极涂层制备等应用研究表明：① 该系统软硬件结构是合理的，各子系统能够协调、可靠地实现微量喷射操作；② 可通过控制微喷射工艺参数、喷头 Z 轴位移、运动平台参数等，达到药物微粒制备、抗菌修饰载药涂层制备、生物相容性电极制备等研究的理想效果；③ 该系统可为医学、生物医学工程、制药工程、增材制造等多学科交叉研究提供技术支撑。
随着微喷射技术在不同领域应用的拓展和深入，对支撑和实施技术应用的微喷射系统特定功能的需求也将日益显现，如旋转面喷涂、多材料复合喷涂、多喷头 Z 轴同步与异步调节等。所以，在后续的研究中，本课题组将对药物微喷射多功能系统作进一步完善，以满足不同应用的具体要求。
利益冲突声明：本文全体作者均声明不存在利益冲突。
Funding Statement
上海市生物医学工程学科建设项目（E1-2601-17-201002）
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