針對藥物微粒制備、生物醫用材料涂層等生物醫學相關領域研究，本文根據模塊化設計理念，將壓電式微噴技術與機電工程及自動控制技術有機結合，設計了藥物微噴射多功能系統，包括噴射支持子系統、X -Y 運動平臺、Z 軸子系統以及快速安裝子系統。然后，對整個藥物微噴射多功能系統進行了運行調試，并通過阿莫西林微囊制備、鈦合金載藥涂層制備及球囊電極涂層制備等應用，驗證了該系統的多功能性、合理性及可行性，表明該系統或可作為基礎平臺應用于生物醫學工程、制藥工程等多學科交叉技術的實驗與研究。
引用本文： 廖躍華, 孫懷遠, 堯婉辰, 金文濤, 李曉歐. 藥物微噴射多功能系統結構設計與測試. 生物醫學工程學雜志, 2019, 36(6): 1032-1037. doi: 10.7507/1001-5515.201902003 復制
引言
隨著各種新興技術的快速發展，針對應用于生物醫學工程領域微系統技術的相關研究越來越廣泛和深入，而其中與藥物微粒化和生物涂層有關的研究已成為熱點。藥物微粒化是制備緩/控釋制劑的有效途徑，其常用方法主要有乳化法、噴霧干燥法、凝聚法、聚合法、相分離法等[1-2]。而生物涂層研究主要內容之一則為生物醫用材料表面涂層抗菌改性，其主要方法有浸涂法、等離子噴涂、溶膠凝膠法、電化學沉積、超聲噴涂法等[3-5]。雖然藥物微粒化和生物醫用材料表面涂層的工藝方法多種多樣，但每一種方法均有其不足之處，如載藥量少、成本較高、易引起環境污染等，從而很難滿足生物醫學工程領域的特殊要求。微噴射技術是近幾年發展起來的一種微流體控制應用新型工藝技術，目前已在醫學、生物制造、微電子等領域展開相關應用[6-7]。其中，基于壓電控制的微噴射技術是在數字信號激勵下，利用壓電陶瓷材料的伸縮形變使噴嘴中液體產生脈沖流動，從而實現可控的液滴噴射[8-10]，它可實現飛升至皮升級液滴的定點、定量、定向及精細圖形化噴射，為制備微米級微球和實現微納米級藥物的噴涂奠定了基礎。近年來，筆者所在團隊采用數字化微噴系統驗證了壓電式微噴射技術應用于微球制備和生物醫用材料表面涂層的可行性[3, 11]。
當前的研究中，壓電式微噴射技術制備微粒或進行涂層的裝置基本都是單一功能型，存在一定的局限性，如：① 實現藥物微球制備時使用靜態噴頭系統，而噴頭插入溶劑中的深度依賴于手動調節，無法精確控制噴射出的液滴在溶劑中的初始位置[11]；② 進行材料涂層時，采用噴頭系統與移動平臺配合，但對涂層厚度的控制常采用間歇手動調節噴頭高低來實現，導致每層厚度均勻性難以保證[3]；③ 在實施微噴射時，對噴頭與噴涂對象（如人工骨、支架等）的對中位置的調節常會影響到定位的準確性、局部噴涂的精確性以及噴涂效率。
為了能更好地進行藥物微粒化和生物醫用材料涂層等方面的實驗與研究，本文針對壓電式微噴射技術在這些領域的不同應用要求，設計了一種藥物微噴射多功能系統，希望可以克服現有相關系統功能單一、調節不精確、定位不準及效率低等不足，從而滿足藥物微粒制備、醫用材料表面涂層及生物增材制造等功能需求。
1 藥物微噴射多功能系統整體設計
進行藥物微噴射多功能系統整體設計，應基于其功能特點及應用，因此需考慮以下因素：① 基于微噴射技術的藥物微粒制備，其對系統的要求主要在于需保證準確穩定的噴射位置，且含有噴射液滴的混合溶液需均勻攪拌等，這一要求需通過調整噴頭安裝機構和下方運動平臺的相對位置得以實現。② 藥物微噴涂層對系統的要求主要是涂層對象的相對平面運動和噴頭高度的控制，而為了實現數字化和高精度涂層，需要系統提供協調的三維運動。③ 另外，為了實現微噴對象的快速精確定位與固定，系統必須設有快速定位與夾持裝置。由上分析可知，為了實現藥物微噴射多功能系統的多種功能，系統除噴頭核心組件外，整體結構應包括噴射支持子系統、X-Y 運動平臺、Z 軸子系統、快速安裝子系統、監控與操作子系統及攪拌裝置等其它附屬裝置。
基于以上原因，本文設計的藥物微噴射多功能系統結構采用模塊化設計，以方便組合、調節、更換等操作，如圖 1 所示。其中，快速安裝子系統、攪拌裝置等根據需要而置于 X-Y 運動平臺的載物臺上；噴射支持子系統、X-Y 運動平臺、Z 軸子系統可通過監控與操作子系統實現數字化和圖形化操作控制。
圖1
藥物微噴射多功能系統
Figure1.
Drug micro-jetting multifunctional system
2 各子系統結構設計
2.1 噴射支持子系統
噴射支持子系統的設計以噴頭（MJ-AL，MicroFab Inc.，美國）為微噴射核心組件，基于壓電式微噴射原理，為使噴頭正常噴射液滴，選用氣壓控制器（CT-PT-01，MicroFab Inc.，美國）和電控制器（CT-M3-02，MicroFab Inc.，美國）等構成噴射支持子系統，如圖 2 所示。氣壓控制器可提供 0～420 kPa 的正壓和－70～0 kPa 的真空壓，調節精度為 0.2 kPa，能使藥液平衡于噴頭噴嘴位置；電控制器通過串口跟監控與操作子系統通信，可提供 ? 140～140 V 工作電壓及三種電壓波形，為噴頭內部的壓電陶瓷提供所需波形脈沖電壓信號，從而使噴嘴處藥液按要求被擠壓而噴射出去，保證噴射行為的完成。
圖2
噴射支持子系統原理圖
Figure2.
Schematic of spraying support subsystem
2.2 X-Y 運動平臺
運動平臺的作用是實現載物臺在水平面上的運動控制，其性能指標直接影響整個藥物微噴射多功能系統的軌跡噴點性能。根據整個系統的功能定位和精度要求，X-Y 運動平臺由伺服電機驅動軸（Yamaha X-Y，Yamaha Co.，日本）和載物臺組成，而伺服電機的運動則由運動控制器（Yamaha-ERCX，Yamaha Co.，日本）通過二次開發程序實現，從而對載物臺 X、Y 方向運動進行高精度和快速響應控制。其中，X、Y 方向行程為 0～150 mm，定位精度為 5 μm，以滿足載物臺配合指定流程進行定點、直線、陣列微量噴射。X-Y 運動平臺的控制路徑如圖 3 所示。
圖3
X-Y 運動平臺控制路徑
Figure3.
Control path of X-Y motion platform
2.3 Z 軸子系統
為使藥物微噴射多功能系統具備噴頭高度控制，即 Z 軸調節功能，根據設計方法學有關設計定位和設計類型的基本概念[12-13]，以需求定位、功能定位為考量，明確 Z 軸子系統設計構思為：① 要實現的主要功能是可自動操控噴頭單元在 Z 軸方向上的線性運動；② 結構組成應包括為 Z 軸調節提供動力的傳動模塊、實現 Z 軸調節的滑動導向模塊、實現噴頭坐標精確定位的噴頭微調模塊、實現準確觀察噴射過程和跡象的視覺調節模塊。據此設計的 Z 軸子系統結構如圖 4 所示。
圖4
Z 軸子系統結構
Figure4.
Structure of Z axis subsystem
Z 軸子系統采用穩定可靠的伺服電機（MSMF012L1U2M，Panasonic Co.，Ltd.，日本）、高精度和微進給可靠的滾珠絲桿滑臺（FLS80-100，成都福譽科技有限公司，中國）以及精密微調機構，其中滾珠絲桿滑臺有效行程為 100 mm。所以，通過微米級的運動控制，可實現噴涂厚度、噴涂軌跡及層次的精確控制。
2.4 快速安裝子系統
為了保證微噴射工作的效率和質量，針對不同形態噴涂對象的自動定心和可靠準確的定位或夾持需求，需要設計一種快速安裝子系統，以配合噴射單元完成簡單化、自動化、高效率和高成功率的相關應用操作。為此，快速安裝子系統應由實施定位的定位模塊、具備夾緊功能的夾持模塊、可實現高度調整的調節模塊和支撐平臺組成，如圖 5 所示。其中，定位模塊設計有前后位置可調的 V 形塊，而夾持模塊則由兩組結構相同、對稱布置的組件構成。
圖5
快速安裝子系統結構
Figure5.
Structure of rapid installation subsystem
3 藥物微噴射多功能系統運行與測試
3.1 系統運行調試
本研究設計的藥物微噴射多功能系統的運行調試是以監控與操作子系統為基礎，對噴射支持子系統、Z 軸子系統、X-Y 運動平臺、快速安裝子系統進行運行驗證，包括檢測噴頭能否按照程序控制正常執行噴射行為、視覺模塊能否正常觀測噴頭噴射行為和液滴狀況、運動平臺是否可以按照預定軌跡實現正常運動、定位夾持模塊是否滿足快速定位和穩定夾持等要求。具體調試流程如圖 6 所示。
圖6
藥物微噴射多功能系統調試流程
Figure6.
Debugging process of drug micro-jetting multifunctional system
系統運行調試工作的完成，最終驗證了藥物微噴射多功能系統軟硬件結構的合理性及各子系統的協調性，證明了該系統實現微量噴射多功能的可行性和可靠性。
3.2 系統應用測試
3.2.1 阿莫西林微囊制備
以濃度為 3% 的聚乳酸（lactic acid，LA）—羥基乙酸（glycolic acid，GA）共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］（LA∶GA = 50∶50，濟南聚福凱生物技術有限公司，中國）為囊材、二氯甲烷（純度為 99.7%，國藥集團化學試劑有限公司，中國）為溶劑、阿莫西林（含量為 99.7%，武漢頂輝化工有限公司，中國）為原藥，采用 80 V 噴頭驅動電壓、10 kHz 噴射頻率、750 r/min 磁力攪拌器（GL-3250C，海門其林貝爾儀器制造有限公司，中國）轉速和 40 μm 直徑的噴頭制備阿莫西林—PLGA 微囊，如圖 7 所示。
圖7
阿莫西林—PLGA 微囊
Figure7.
Amoxicillin—PLGA microcapsules
實驗結果顯示：① 微囊平均粒徑為（61.55 ± 1.04）μm，相對標準偏差為 1.81%；② 掃描電子顯微鏡（Quanta x50 FEG，FEI.，美國）下的阿莫西林—PLGA 微囊為實心球形，表面光滑圓整，顆粒均勻度高；③ 超聲溶解微囊，測定、計算得微囊的包封率為 61.42% ± 3.81%，載藥量為 2.0% ± 1.36%（n = 3）。可見，微噴射系統制備阿莫西林—PLGA 微囊是可行的。
3.2.2 鈦合金三氯生—PLGA 載藥涂層制備
針對“生物材料相關感染”問題[14-15]，以 PLGA（LA∶GA = 50∶50，濟南聚福凱生物技術有限公司，中國）為載體、廣譜抗菌劑三氯生（純度為 99.9%，上海一飛生物科技有限公司，中國）為抗菌藥物，采用 56 V 噴頭驅動電壓、1.1 kHz 噴射頻率和 50 μm 直徑的噴頭分別進行 1 號鈦合金和 2 號鈦合金（TC4，東莞市騰峰鋒金屬材料有限公司，中國）表面 10 mm × 10 mm 區域的 10 層三氯生—PLGA 涂覆。
實驗結果顯示：① 掃描電子顯微鏡（Quanta x50 FEG，FEI.，美國）下觀察到 PLGA 載藥涂層完整覆蓋鈦合金表面，沒有出現未涂覆斑點，整體光滑平整；② 根據藥物釋放曲線，如圖 8 所示，在緩慢釋放階段（30～75 h），1 號鈦合金（涂層 1）和 2 號鈦合金（涂層 2）在 10 mL 磷酸鹽緩沖溶液（pH = 7.2，上海一飛生物科技有限公司，中國）中釋放的藥物濃度均平穩增長、增幅變緩，能夠達到有效的抑菌濃度。
圖8
鈦合金三氯生—PLGA 涂層藥物釋放曲線
Figure8.
Drug release curve of triclosan—PLGA coating for tita nium alloy
3.2.3 射頻消融球囊納米銀電極涂層制備
將 PLGA（LA∶GA = 50∶50，濟南聚福凱生物技術有限公司，中國）和二氯甲烷（純度為 99.7%，國藥集團化學試劑有限公司，中國）溶劑混合為生物相容性載體材料，以高導電率納米銀油墨（MFCD00003397，西格瑪奧德里奇貿易有限公司，中國）為電極涂層材料，采用 50 μm 直徑的噴頭先后將載體材料和涂層材料噴射至球囊（xc-7f-b，上海辛菖醫療器械有限公司，中國）表面，制備射頻消融球囊電極涂層，如圖 9 所示。
圖9
射頻消融球囊電極納米銀涂層
Figure9.
Nanometer silver coating of electrode for radiofrequency ablation balloon
實驗結果顯示：① PLGA 溶液含量為 24 mg/mL 時，噴射在球囊表面可形成生物相容性涂層，并為電極涂層提供載體；② 經 130℃ 高溫加熱固化 50 min 后，納米銀顆粒熔融聚集，形成射頻消融球囊均勻致密電極涂層；③ 對納米銀涂層電極進行測定，電阻值為 1.3～1.8 Ω，低于 7F 溫控大頭電極導管的 3.37 Ω 和 8F 冷鹽水灌注射頻消融導管的 3.87 Ω，導電率較高，可大幅降低射頻消融時間。
4 結論與展望
藥物微噴射多功能系統設計及其實現是生物醫學工程學、機電工程學、計算機應用等多學科與微噴技術的協同研究；是新技術、新方法在生物醫學工程中實際應用的嘗試。藥物微噴射多功能系統的構建與結構設計，體現了系統開發性設計定位和模塊化設計理念，使藥物微噴射實現了系統集成化、過程圖像化、操作精細化。
本文的系統運行調試及阿莫西林微囊制備、鈦合金三氯生載藥涂層制備、射頻消融球囊納米銀電極涂層制備等應用研究表明：① 該系統軟硬件結構是合理的，各子系統能夠協調、可靠地實現微量噴射操作；② 可通過控制微噴射工藝參數、噴頭 Z 軸位移、運動平臺參數等，達到藥物微粒制備、抗菌修飾載藥涂層制備、生物相容性電極制備等研究的理想效果；③ 該系統可為醫學、生物醫學工程、制藥工程、增材制造等多學科交叉研究提供技術支撐。
隨著微噴射技術在不同領域應用的拓展和深入，對支撐和實施技術應用的微噴射系統特定功能的需求也將日益顯現，如旋轉面噴涂、多材料復合噴涂、多噴頭 Z 軸同步與異步調節等。所以，在后續的研究中，本課題組將對藥物微噴射多功能系統作進一步完善，以滿足不同應用的具體要求。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
引言
隨著各種新興技術的快速發展，針對應用于生物醫學工程領域微系統技術的相關研究越來越廣泛和深入，而其中與藥物微粒化和生物涂層有關的研究已成為熱點。藥物微粒化是制備緩/控釋制劑的有效途徑，其常用方法主要有乳化法、噴霧干燥法、凝聚法、聚合法、相分離法等[1-2]。而生物涂層研究主要內容之一則為生物醫用材料表面涂層抗菌改性，其主要方法有浸涂法、等離子噴涂、溶膠凝膠法、電化學沉積、超聲噴涂法等[3-5]。雖然藥物微粒化和生物醫用材料表面涂層的工藝方法多種多樣，但每一種方法均有其不足之處，如載藥量少、成本較高、易引起環境污染等，從而很難滿足生物醫學工程領域的特殊要求。微噴射技術是近幾年發展起來的一種微流體控制應用新型工藝技術，目前已在醫學、生物制造、微電子等領域展開相關應用[6-7]。其中，基于壓電控制的微噴射技術是在數字信號激勵下，利用壓電陶瓷材料的伸縮形變使噴嘴中液體產生脈沖流動，從而實現可控的液滴噴射[8-10]，它可實現飛升至皮升級液滴的定點、定量、定向及精細圖形化噴射，為制備微米級微球和實現微納米級藥物的噴涂奠定了基礎。近年來，筆者所在團隊采用數字化微噴系統驗證了壓電式微噴射技術應用于微球制備和生物醫用材料表面涂層的可行性[3, 11]。
當前的研究中，壓電式微噴射技術制備微粒或進行涂層的裝置基本都是單一功能型，存在一定的局限性，如：① 實現藥物微球制備時使用靜態噴頭系統，而噴頭插入溶劑中的深度依賴于手動調節，無法精確控制噴射出的液滴在溶劑中的初始位置[11]；② 進行材料涂層時，采用噴頭系統與移動平臺配合，但對涂層厚度的控制常采用間歇手動調節噴頭高低來實現，導致每層厚度均勻性難以保證[3]；③ 在實施微噴射時，對噴頭與噴涂對象（如人工骨、支架等）的對中位置的調節常會影響到定位的準確性、局部噴涂的精確性以及噴涂效率。
為了能更好地進行藥物微粒化和生物醫用材料涂層等方面的實驗與研究，本文針對壓電式微噴射技術在這些領域的不同應用要求，設計了一種藥物微噴射多功能系統，希望可以克服現有相關系統功能單一、調節不精確、定位不準及效率低等不足，從而滿足藥物微粒制備、醫用材料表面涂層及生物增材制造等功能需求。
1 藥物微噴射多功能系統整體設計
進行藥物微噴射多功能系統整體設計，應基于其功能特點及應用，因此需考慮以下因素：① 基于微噴射技術的藥物微粒制備，其對系統的要求主要在于需保證準確穩定的噴射位置，且含有噴射液滴的混合溶液需均勻攪拌等，這一要求需通過調整噴頭安裝機構和下方運動平臺的相對位置得以實現。② 藥物微噴涂層對系統的要求主要是涂層對象的相對平面運動和噴頭高度的控制，而為了實現數字化和高精度涂層，需要系統提供協調的三維運動。③ 另外，為了實現微噴對象的快速精確定位與固定，系統必須設有快速定位與夾持裝置。由上分析可知，為了實現藥物微噴射多功能系統的多種功能，系統除噴頭核心組件外，整體結構應包括噴射支持子系統、X-Y 運動平臺、Z 軸子系統、快速安裝子系統、監控與操作子系統及攪拌裝置等其它附屬裝置。
基于以上原因，本文設計的藥物微噴射多功能系統結構采用模塊化設計，以方便組合、調節、更換等操作，如圖 1 所示。其中，快速安裝子系統、攪拌裝置等根據需要而置于 X-Y 運動平臺的載物臺上；噴射支持子系統、X-Y 運動平臺、Z 軸子系統可通過監控與操作子系統實現數字化和圖形化操作控制。
圖1
藥物微噴射多功能系統
Figure1.
Drug micro-jetting multifunctional system
2 各子系統結構設計
2.1 噴射支持子系統
噴射支持子系統的設計以噴頭（MJ-AL，MicroFab Inc.，美國）為微噴射核心組件，基于壓電式微噴射原理，為使噴頭正常噴射液滴，選用氣壓控制器（CT-PT-01，MicroFab Inc.，美國）和電控制器（CT-M3-02，MicroFab Inc.，美國）等構成噴射支持子系統，如圖 2 所示。氣壓控制器可提供 0～420 kPa 的正壓和－70～0 kPa 的真空壓，調節精度為 0.2 kPa，能使藥液平衡于噴頭噴嘴位置；電控制器通過串口跟監控與操作子系統通信，可提供 ? 140～140 V 工作電壓及三種電壓波形，為噴頭內部的壓電陶瓷提供所需波形脈沖電壓信號，從而使噴嘴處藥液按要求被擠壓而噴射出去，保證噴射行為的完成。
圖2
噴射支持子系統原理圖
Figure2.
Schematic of spraying support subsystem
2.2 X-Y 運動平臺
運動平臺的作用是實現載物臺在水平面上的運動控制，其性能指標直接影響整個藥物微噴射多功能系統的軌跡噴點性能。根據整個系統的功能定位和精度要求，X-Y 運動平臺由伺服電機驅動軸（Yamaha X-Y，Yamaha Co.，日本）和載物臺組成，而伺服電機的運動則由運動控制器（Yamaha-ERCX，Yamaha Co.，日本）通過二次開發程序實現，從而對載物臺 X、Y 方向運動進行高精度和快速響應控制。其中，X、Y 方向行程為 0～150 mm，定位精度為 5 μm，以滿足載物臺配合指定流程進行定點、直線、陣列微量噴射。X-Y 運動平臺的控制路徑如圖 3 所示。
圖3
X-Y 運動平臺控制路徑
Figure3.
Control path of X-Y motion platform
2.3 Z 軸子系統
為使藥物微噴射多功能系統具備噴頭高度控制，即 Z 軸調節功能，根據設計方法學有關設計定位和設計類型的基本概念[12-13]，以需求定位、功能定位為考量，明確 Z 軸子系統設計構思為：① 要實現的主要功能是可自動操控噴頭單元在 Z 軸方向上的線性運動；② 結構組成應包括為 Z 軸調節提供動力的傳動模塊、實現 Z 軸調節的滑動導向模塊、實現噴頭坐標精確定位的噴頭微調模塊、實現準確觀察噴射過程和跡象的視覺調節模塊。據此設計的 Z 軸子系統結構如圖 4 所示。
圖4
Z 軸子系統結構
Figure4.
Structure of Z axis subsystem
Z 軸子系統采用穩定可靠的伺服電機（MSMF012L1U2M，Panasonic Co.，Ltd.，日本）、高精度和微進給可靠的滾珠絲桿滑臺（FLS80-100，成都福譽科技有限公司，中國）以及精密微調機構，其中滾珠絲桿滑臺有效行程為 100 mm。所以，通過微米級的運動控制，可實現噴涂厚度、噴涂軌跡及層次的精確控制。
2.4 快速安裝子系統
為了保證微噴射工作的效率和質量，針對不同形態噴涂對象的自動定心和可靠準確的定位或夾持需求，需要設計一種快速安裝子系統，以配合噴射單元完成簡單化、自動化、高效率和高成功率的相關應用操作。為此，快速安裝子系統應由實施定位的定位模塊、具備夾緊功能的夾持模塊、可實現高度調整的調節模塊和支撐平臺組成，如圖 5 所示。其中，定位模塊設計有前后位置可調的 V 形塊，而夾持模塊則由兩組結構相同、對稱布置的組件構成。
圖5
快速安裝子系統結構
Figure5.
Structure of rapid installation subsystem
3 藥物微噴射多功能系統運行與測試
3.1 系統運行調試
本研究設計的藥物微噴射多功能系統的運行調試是以監控與操作子系統為基礎，對噴射支持子系統、Z 軸子系統、X-Y 運動平臺、快速安裝子系統進行運行驗證，包括檢測噴頭能否按照程序控制正常執行噴射行為、視覺模塊能否正常觀測噴頭噴射行為和液滴狀況、運動平臺是否可以按照預定軌跡實現正常運動、定位夾持模塊是否滿足快速定位和穩定夾持等要求。具體調試流程如圖 6 所示。
圖6
藥物微噴射多功能系統調試流程
Figure6.
Debugging process of drug micro-jetting multifunctional system
系統運行調試工作的完成，最終驗證了藥物微噴射多功能系統軟硬件結構的合理性及各子系統的協調性，證明了該系統實現微量噴射多功能的可行性和可靠性。
3.2 系統應用測試
3.2.1 阿莫西林微囊制備
以濃度為 3% 的聚乳酸（lactic acid，LA）—羥基乙酸（glycolic acid，GA）共聚物［poly（lactic-co-glycolic acid），PLGA］（LA∶GA = 50∶50，濟南聚福凱生物技術有限公司，中國）為囊材、二氯甲烷（純度為 99.7%，國藥集團化學試劑有限公司，中國）為溶劑、阿莫西林（含量為 99.7%，武漢頂輝化工有限公司，中國）為原藥，采用 80 V 噴頭驅動電壓、10 kHz 噴射頻率、750 r/min 磁力攪拌器（GL-3250C，海門其林貝爾儀器制造有限公司，中國）轉速和 40 μm 直徑的噴頭制備阿莫西林—PLGA 微囊，如圖 7 所示。
圖7
阿莫西林—PLGA 微囊
Figure7.
Amoxicillin—PLGA microcapsules
實驗結果顯示：① 微囊平均粒徑為（61.55 ± 1.04）μm，相對標準偏差為 1.81%；② 掃描電子顯微鏡（Quanta x50 FEG，FEI.，美國）下的阿莫西林—PLGA 微囊為實心球形，表面光滑圓整，顆粒均勻度高；③ 超聲溶解微囊，測定、計算得微囊的包封率為 61.42% ± 3.81%，載藥量為 2.0% ± 1.36%（n = 3）。可見，微噴射系統制備阿莫西林—PLGA 微囊是可行的。
3.2.2 鈦合金三氯生—PLGA 載藥涂層制備
針對“生物材料相關感染”問題[14-15]，以 PLGA（LA∶GA = 50∶50，濟南聚福凱生物技術有限公司，中國）為載體、廣譜抗菌劑三氯生（純度為 99.9%，上海一飛生物科技有限公司，中國）為抗菌藥物，采用 56 V 噴頭驅動電壓、1.1 kHz 噴射頻率和 50 μm 直徑的噴頭分別進行 1 號鈦合金和 2 號鈦合金（TC4，東莞市騰峰鋒金屬材料有限公司，中國）表面 10 mm × 10 mm 區域的 10 層三氯生—PLGA 涂覆。
實驗結果顯示：① 掃描電子顯微鏡（Quanta x50 FEG，FEI.，美國）下觀察到 PLGA 載藥涂層完整覆蓋鈦合金表面，沒有出現未涂覆斑點，整體光滑平整；② 根據藥物釋放曲線，如圖 8 所示，在緩慢釋放階段（30～75 h），1 號鈦合金（涂層 1）和 2 號鈦合金（涂層 2）在 10 mL 磷酸鹽緩沖溶液（pH = 7.2，上海一飛生物科技有限公司，中國）中釋放的藥物濃度均平穩增長、增幅變緩，能夠達到有效的抑菌濃度。
圖8
鈦合金三氯生—PLGA 涂層藥物釋放曲線
Figure8.
Drug release curve of triclosan—PLGA coating for tita nium alloy
3.2.3 射頻消融球囊納米銀電極涂層制備
將 PLGA（LA∶GA = 50∶50，濟南聚福凱生物技術有限公司，中國）和二氯甲烷（純度為 99.7%，國藥集團化學試劑有限公司，中國）溶劑混合為生物相容性載體材料，以高導電率納米銀油墨（MFCD00003397，西格瑪奧德里奇貿易有限公司，中國）為電極涂層材料，采用 50 μm 直徑的噴頭先后將載體材料和涂層材料噴射至球囊（xc-7f-b，上海辛菖醫療器械有限公司，中國）表面，制備射頻消融球囊電極涂層，如圖 9 所示。
圖9
射頻消融球囊電極納米銀涂層
Figure9.
Nanometer silver coating of electrode for radiofrequency ablation balloon
實驗結果顯示：① PLGA 溶液含量為 24 mg/mL 時，噴射在球囊表面可形成生物相容性涂層，并為電極涂層提供載體；② 經 130℃ 高溫加熱固化 50 min 后，納米銀顆粒熔融聚集，形成射頻消融球囊均勻致密電極涂層；③ 對納米銀涂層電極進行測定，電阻值為 1.3～1.8 Ω，低于 7F 溫控大頭電極導管的 3.37 Ω 和 8F 冷鹽水灌注射頻消融導管的 3.87 Ω，導電率較高，可大幅降低射頻消融時間。
4 結論與展望
藥物微噴射多功能系統設計及其實現是生物醫學工程學、機電工程學、計算機應用等多學科與微噴技術的協同研究；是新技術、新方法在生物醫學工程中實際應用的嘗試。藥物微噴射多功能系統的構建與結構設計，體現了系統開發性設計定位和模塊化設計理念，使藥物微噴射實現了系統集成化、過程圖像化、操作精細化。
本文的系統運行調試及阿莫西林微囊制備、鈦合金三氯生載藥涂層制備、射頻消融球囊納米銀電極涂層制備等應用研究表明：① 該系統軟硬件結構是合理的，各子系統能夠協調、可靠地實現微量噴射操作；② 可通過控制微噴射工藝參數、噴頭 Z 軸位移、運動平臺參數等，達到藥物微粒制備、抗菌修飾載藥涂層制備、生物相容性電極制備等研究的理想效果；③ 該系統可為醫學、生物醫學工程、制藥工程、增材制造等多學科交叉研究提供技術支撐。
隨著微噴射技術在不同領域應用的拓展和深入，對支撐和實施技術應用的微噴射系統特定功能的需求也將日益顯現，如旋轉面噴涂、多材料復合噴涂、多噴頭 Z 軸同步與異步調節等。所以，在后續的研究中，本課題組將對藥物微噴射多功能系統作進一步完善，以滿足不同應用的具體要求。
利益沖突聲明：本文全體作者均聲明不存在利益沖突。
