北航新成果，再发《Nature》！

05-03 08:57

原创航小萱® 北京航空航天大学

药物“闪送”，疗效必达！

最近，北京航空航天大学

常凌乾生物与医学工程学院团队

和合作者一起开发一种

软可植入式电子贴片（NanoFLUID）

2025年4月30日有关结果

发表于《Nature》杂志

精确的治疗人体内脏疾病，取决于高效的药物输送方法。然而，现有的药物传递范式面临两大挑战:一是传统的口服或静脉给药方式效率有限，药物在全身循环中容易“迷路”，难以准确到达疾病位置，造成其他器官损伤的风险。第二，基因药物等大分子药物，很难穿过细胞膜的自然屏障。“按照常规的给药方式，相当于吃了100元的药。只有1元左右的药物才能真正到达疾病区进行有效治疗。99元的药物成分在循环过程中被无效代谢。”北京航空航天大学生物与医学工程学院常凌乾教授生动地解释。所以，开发精确、安全、高效的靶向器官药物递送技术，是提高临床治疗效果的关键。

为了解决这个问题，近日，常凌乾团队联合北京大学、香港城市大学、美国伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校。（UIUC）、西北工业大学等研究人员报道了一种可植入式电子贴片的软性（NanoFLUID），结合柔性电子、微纳加工等前沿技术，具有无线控制、完美轻薄、易粘贴的特点，能像创口贴一样贴在生物器官上，准确地将药物送到靶器官和细胞内部。以“相关结果”A battery-free nanofluidic intracellular delivery patch for internal organs“问题，在国际顶级期刊上发表《Nature》。

第一作者:北航生物与医学工程学院尹德东博士、北航生物与医学工程学院蒋欣然(博士生)等。

通讯作者:北京航空航天大学生物与医学工程学院常凌乾教授

第一单位：北京航空航天大学

这种生物电子芯片结构是基于常凌乾团队标签技术——纳米电穿孔。通过结合柔性电子材料，形成5层微纳结构电子贴片，中间层为药仓，可直接粘附在器官表面。其独特的“纳米孔-微通道-微电极”3D结构，可以实现低压下细胞膜的安全穿孔。同时，通过巧妙地利用纳米孔内形成的超高场强度，将药物分子的输送速度提高了几万倍(与传统的电输送方式相比)。无源供电模块保证了贴片植入人体内脏后能够实时控制细胞膜的“通道”，将大分子或基因药物分子以高于传统输送速度的速度安全快速高效地输送到目标细胞(图1)。通过调节电参数，NanoFLUID也能准确地调节电参数。μ以M和微克为基准，控制药物进入器官的深度和剂量。

“最初的纳米电穿孔技术只能用于体外细胞，如果一个设备想要植入体内，它必须具有轻、薄、可装载药物和电场的核心特征。“常凌乾直言不讳地说，NanoFLUID的灵感一方面来自于纳米电穿孔这一课题组的标签技术，另一方面来自于与柔性电子专家的交流，在学术交流中，科研团队逐渐找到了如何将纳米电穿孔载入微型设备的方法。

图1. NanoFLUID可以实现人体内脏的精确给药。

研究小组建立了小鼠急性创伤性肝损伤模型，以探索电子贴片递送药物的疗效，验证了贴片在肝创伤治疗中的疗效。与传统的缝合、电灼或水凝胶止血方法相比，贴片可以实现伤口立即止血(贴片治疗组7天内存活率为100%，对照组死亡率为40%)。另外，细胞生长因子基因是通过递送的。（Egf）明显促进肝细胞再生，使肝功能指标（ALT/AST）7天内完全恢复正常。病理分析还显示，贴片治疗组肝损伤位置恢复平稳完整，无炎症浸润和纤维化(纤维化面积减少80%)，远优于其他治疗组。这一创新“机械封闭” 药物治疗“双模式”解决了传统止血方法容易引起肝功能损伤的问题，为人体内脏急性创伤治疗提供了一种全新的治疗方法，兼顾高效性和安全性，呈现出显著的临床转化价值(图2)。

图2. NanoFLUID可以有效地修复急性创伤性肝损伤。

研究小组利用贴片系统，建立了乳腺癌转移驱动基因的高效选择平台，以进一步论证电子贴片的输送能力。通过将TCGA数据库中筛选出的50个与乳腺癌转移愈合后最相关的候选基因建立成基因库，并通过贴片准确地传递给老鼠乳腺组织，研究人员首次实现了高通量基因筛选在体内水平。实验结果分析鉴定了11个候选基因聚集在转移炉中，其中DUS2基因表现出最突出的聚集特征(表达量为4030) TPM）。功能性设计证实，DUS2通过表达显著的蛋白质合成能力和转移潜能来促进肿瘤细胞，敲击DUS2可以有效地抑制转移过程。通过控制76个下游靶基因的表达，蛋白质组学分析进一步揭示了DUS2因素可能会激活多个转移相关通道，包括细胞迁移和粘附。这项研究为乳腺癌转移机制的研究提供了新的重要工具目标(图3)。

图3. 基于NanoFLUID的乳腺癌转移相关基因高通量筛选

NanoFLUID代表了具有范式创新价值的生物电子学突破，为人体内脏靶向治疗开辟了新的途径：首先，无源无线设计完成了对深层器官的精确干扰；其次，打破细胞膜屏障限制的传统给药方法，显著提高了药物交付的及时性；此外，该平台技术具有很强的扩展性，不仅可以为癌症、创伤等重疾开发新的治疗方法，也可以作为促进基础医学发现的研究工具。

目前，该技术已在北航实现转型，应用于医疗美容、皮肤创伤修复等领域，孵化了基于纳米电穿孔的微创Ultra-NEP透皮导入仪(图4)，实现了药物快速递送。

图4. 基于NanoFLUID的技术转换：Ultra-NEP透皮导入仪

这个课题从2017年开始研究，“坚持”是常凌乾叙述科研过程中提到的高频词。“从 2019 项目年正式启动，到 2022 年度投稿，在项目实施过程中，随着生物体内应用场景的增多，设备的整体设计和加工工艺不断更新和完善。从 2022 年投稿到 2025 每年接受，又经过两年多的修稿，这一成果才得以公布。” 常凌乾回忆起来，感慨万千。装置加工难度极大，载药仓不仅要小巧，还要能装足量的药品，还要与无源电场模块完美连接。该团队尝试了许多方案，最终选择在载药仓中加入多个微柱，形成微流道，利用虹吸效应，使药物能够迅速进出。

更令常凌乾印象深刻的是第一次投稿。《Nature》后来收到了40多条审稿意见，审稿人对设备的安全性、控制精度、使用场景等提出了疑问。他说：“当时有个审稿人对临床提出了建议，觉得服药打吊针没有创伤，为什么要做手术把贴片植入器官？” 所以，研究小组进行了大量的实验来证明贴片在许多场景中具有独特的优势。比如人体内脏损伤修复时，临床上一般需要手术缝合或电灼，速度慢，治疗效果不理想，贴片可以大大加快治疗速度和效率；在肿瘤治疗中，有些器官覆盖着弥漫式小肿瘤，不能通过手术切除，只能通过化疗或放疗，而贴片可以直接贴在器官上，导入原点药物，治疗效果和安全性比放疗和化疗好得多。通过这种方式，他们写了近250页的补充内容，通过大量的实验和充分的论证，逐一消除了审稿人的顾虑。

面对未来，常凌乾透露，团队正在研究可降解材料，以便使用后可以自行降解贴片。此外，团队还致力于提高贴片与复杂器官表面的贴合度，开发微创植入方法，如使用微型机器人或微导管将贴片精确导航到目标位置。

“这一成就是医务工作者非常典型的交叉成果。它涉及细胞生物学、基因工程、电子学、力学、微纳加工和材料学等学科，体现了北航现代生物医学工程学科群向多学科有机融合的发展方向。谈到项目和科研经验，常凌乾深有感触：“做科研，一定要沉着冷静，去做那些能够真正解决问题的研究。要敢于发散思维，仔细思考那些在领域内从未解决过的核心问题。如果你坚持下去，你一定会赢。”

共同认识优秀的北航作家

第一作者

尹德东

北京航空航天大学

生物学与医学工程学院

客座研究员

目前是北航生物与医学工程学院客座研究员，合作导师：常凌乾教授。毕业于中国科学院大学，国家卫生健康委员会研究所助理研究员。其主要研究方向包括细胞生物学、生物芯片和纳米电穿孔，近五年发表了Nature等10多篇SCI论文， Nature Electronics, Advanced Material, ACS Nano等等。

蒋欣然

北京航空航天大学

生物学与医学工程学院

博士生

康奈尔大学生物医学研究所药理系硕士毕业，研究方向为在体药物递送系统。Nature已经发表了10多篇SCI论文， Nature Electronics, Advanced Materials等。

通讯作者

常凌乾

北京航空航天大学

生物学与医学工程学院教授

精确的大数据医疗

工信部重点实验室主任

在美国俄亥俄州立大学毕业，曾在美国北德克萨斯大学担任助理教授。研究内容包括细胞生物芯片、纳米电穿孔技术。作为通讯作者发布 Nature, Nature Electronics, Nature Photonics, PNAS, Nature Communications, Science 80多篇学术论文，如Advances；获得工业和信息化部杰出青年，Micro Nano 荣誉如Engineering青年科学家奖、中国科技新锐人物奖等。技术已经转换，已经完成了两轮融资，申请了两项医疗器械。

论文链接：

A battery-free nanofluidic intracellular delivery patch for internal organs | Nature