对于患有如心肌梗塞、严重低血糖等突发疾病或严重创伤的患者来说，如果不及时开展治疗，患者面临着极大的死亡风险，因此及时的给药是非常重要的。然而，世界上仍有大量的死亡是由于患者身边缺乏急救设备，或因病人无法呼救，或因交通拥挤、地理位置不便等原因导致的急救不及时而造成的。
基于此，浙江大学药学院、金华研究院顾臻/俞计成团队联合浙江大学控制科学与工程学院陆豪健团队交叉创新，发明了一种基于无人机的靶向递药急救系统【Unmanned aerial vehicle(UAV)-mediated first aid system for targeted delivery，uFAST】，丰富了在无人机在急救领域的应用，具有广阔的临床应用场景。相关工作以“Unmanned Aerial Vehicle-Mediated Drug Delivery for First Aid”为题在线发表于Advanced Materials上，论文第一作者是浙江大学药学院博士研究生盛涛和浙江大学控制科学与工程学院硕士研究生金锐。
“我们团队开发了一个由无人机、投掷给药装置和含有紧急治疗药物的微针贴片组成的用于急救的无人机辅助自主给药系统。其中，无人机可以全自主完成急救信号的接收、急救目标的识别定位以及安全无碰轨迹的生成；投掷给药装置可以实现自主给药，在没有额外协助的情况下提供急救；微针贴片为急救病人提供了快速起效的智能药物递送。”顾臻教授介绍了这套可以飞行的递药系统。
uFAST系统由无人机、给药装置和含有急救药物的透皮微针贴片组成，可以实现自主的紧急治疗。无人机可以通过急救信号和患者的定位信息启动，并完成应急信号的接收、生成前往目标地点的路线、避障和目标识别等功能。在这个系统中，该团队利用微针贴片作为急救制剂，这是因为微针是一种方便、安全和高效的给药途径。
“为了使微针贴片能够在无人机的作用下实现给药，该团队设计了一种接触式触发的微针投掷给药装置（Contact-triggered microneedle applicator,CTMA），以便在接触皮肤时提供足够的动力来将微针刺入皮肤。当无人机搜索和识别病人后，可在适当的高度悬停，随后释放CTMA投掷给药装置，将负载药物的微针插入皮肤，实现急救。”陆豪健博士解释道。
▲用于急救的无人机药物自主递送系统示意图及实物图（图片来源：参考资料[1]）
CTMA投掷给药装置主要由触发元件（触发器）和储能元件（弹簧）组成，当CTMA底部的触发器接触到皮肤表面时，弹簧可以释放出足够的能量来使附着的微针插入至皮肤中。“相比于手动给药，CTMA提供的推力更加均匀，更利于微针贴片扎入皮肤。”俞计成博士解释道。
▲CTMA力分布图以及将微针扎入皮肤的过程图，比例尺(a)1 cm；(b)500μm；(c)1.2 cm（图片来源：参考资料[1]）
该团队进一步验证了uFAST在严重低血糖疾病模型中急救的可行性。严重的低血糖会导致突然晕倒或在夜间睡眠时发生，而糖尿病患者的连续血糖监测系统能够实时警示低血糖，因此可以作为应急信号，与uFAST配对，及时给予升糖药（胰高血糖素）。
为了确保胰高血糖素的准确剂量，研究团队设计了一种双模式微针贴片，以实现胰高血糖素基础剂量的即时释放以及后续剂量的葡萄糖依赖性持续释放。在胰岛素过量引起的低血糖糖尿病小猪模型中，他们证实与微针贴片整合的uFAST可以有效降低严重低血糖的风险。
▲双模式微针贴片相关表征及与微针贴片整合的uFAST在低血糖小猪的体内急救结果，比例尺：500μm（图片来源：参考资料[1]）
实验表明，CTMA可以提供均匀和足够强大的推力，使微针有效地插入皮肤。此外，具有双模式的微针贴片不仅可以在第一时间提供基础剂量的急救药物，还可以支持后续的葡萄糖依赖剂量，以防止潜在的过量副作用。“体内研究证实，uFAST在低血糖小猪模型中成功实施了自主急救，有效防止了血糖的持续下降，并促进其上升到正常范围。”盛涛解释道。
研究人员指出，此项发明是一个平台技术，一些可穿戴的生理监测设备、先进的检测或分析系统、新型的给药方式及给药设备都可以与uFAST系统整合，以进一步扩展无人机介导的药物急救的应用场景与前景。
参考资料：
[1]Sheng,T.,Jin,R.,Yang,C.,Qiu,K.,Wang,M.,Shi,J.,Zhang,J.,Gao,Y.,Wu,Q.,Zhou,X.,Wang,H.,Zhang,J.,Fang,Q.,Pan,N.,Xue,Y.,Wang,Y.,Xiong,R.,Gao,F.,Zhang,Y.,Lu,H.,Yu,J.and Gu,Z.(2022),Unmanned Aerial Vehicle-Mediated Drug Delivery for First Aid.Adv.Mater.https://doi.org/10.1002/adma.202208648