Implantable and minimally-invasive drug delivery system using soft bioelectronics for diagnosis and treatment

Abstract

바이오메디컬소자, 특히 특정 인체 부위에 적용되는 약물 전달 시스템은 다양한 임상 문제를 해결할 수 있는 돌파구를 제시하기 때문에 과학자들과 임상의들에게 상당한 관심을 끌었다. 기존의 재료 및 소자들은 단단하고 부피가 큰 특징 때문에 소자와 인체 사이의 기계적 불일치가 해당 조직에 심각한 손상을 일으킨다. 이와 관련하여, 부드러운 기능성 재료와 새로운 소자 디자인 전략, 그리고 임상적으로 관련된 시스템 수준의 적용은 이 분야의 빠른 성장을 가속화시켰다. 우리는 질병 진단 및 치료를 위해 부드러운 바이오전자소자를 사용해 세 가지 다른 유형의 생체 삽입형 및 최소 침습적인 약물전달 시스템을 소개한다. 먼저, 웨어러블 기기와 무선으로 연결된 부드러운 소형화된 약물 전달 삽입소자를 개발했다. 약물 전달 삽입소자는 전기 생리학적 신호를 지속적으로 모니터링하고 웨어러블 기기로부터 무선 전력 전송을 통해 전원이 공급된다. 피부에서의 전기 생리학적 신호 모니터링에 기반한 약물의 피하 방출은 간질 중첩증과 같은 긴급한 의료 상황에 대처할 수 있다. 둘째, 투명한 그래핀 바이오전자소자와 치료용 나노입자를 통한 한 다기능성 내시경 기반 수술 시스템이 개발되었다. 이러한 진보된 바이오전자소자 및 나노입자는 대장암 치료를 위한 폐쇄 루프 솔루션의 기초 기술로써, 형광 기반 암 조직 매핑, 임피던스 및 pH 측정, 접촉 및 온도 모니터링, 그리고 고주파 전기소작 및 국소적인 광역동 치료와 항암요법을 종합적으로 가능하게 한다. 셋째, 최소 침습적인 암 치료를 위해 마이크로니들이 통합된 바이오전자소자를 사용하여 암을 목표로 하는 치료용 나노입자와 고에너지 광자의 국소적인 전달 방법이 개발되었다. 치료용 나노입자는 생흡수성 마이크로니들에 의해 국소적으로 암조직을 목표로 전달된다. 그 후, 빛을 전달하는 마이크로니들은 바이오전자소자로부터 나오는 고에너지 광자를 전달한다. 이 고에너지 광자는 목표 암조직에서 광역동 치료 및 항암치료를 실행하기 위해 나노입자를 국소적으로 활성화시킨다.

Biomedical electronic devices, especially for drug delivery system applied for specific human body parts have attracted considerable attention among scientists and clinicians because they present significant breakthroughs to solve various clinical issues. Because, conventional materials and devices are rigid and bulky feature, mechanical mismatch between devices and human body causes significant damages on tissues. In this regard, recent innovations in soft functional materials, novel device design strategies, and clinically relevant system-level applications have accelerated the rapid growth in this research field. Here, we describe three types of implantable and minimally-invasive drug delivery system using soft bioelectronics for disease diagnosis and treatment. First, a soft miniaturized drug delivery implant (SMDDI) wirelessly interconnected with wearables is fabricated. The SMDDI is wirelessly powered and controlled by wearables that continuously monitor electrophysiological signals and trigger the drug-release on-demand through the wireless power transmission. Subcutaneous release of pharmaceuticals from SMDDI based on epidermal electrophysiology monitoring could treat urgent medical situations such as status epilepticus. Second, a multifunctional endoscope-based surgical system integrating transparent graphene bio-electronics with theranostic NPs is developed. These advanced electronics and nanoparticles enable optical fluorescence-based imaging, electrical impedance and pH detecting, contact/temperature monitoring, radio frequency ablation, and localized photo/chemotherapy for a closed-loop system on colon cancer treatment. Third, a localized delivery system of theranostic nanoparticles (NPs) and high-energy photons to target tumors by using microneedle-integrated bioelectronics for minimally-invasive cancer treatment is developed. Theranostic NPs are locally delivered to target tumor by bioresorbable microneedles. Then, light-guiding/-spreading microneedles deliver high-energy photons generated by the bioelectronics. The high-energy photons locally activate the NPs to induce the photodynamic-/chemo-therapy in the target tumor.