低频超声经皮给药仪设计

　　1 引 言

　　自 1981 年美国 Alza 公司的东莨菪碱经皮给药贴剂(Transderm Scop) 上市以来, 经皮给药系统 (Transdermal drug delivery, TDD) 越来越受到药学工作者的重视。它能够提供十倍于常规给药方法的持续稳定的渗透率, 并且能够避免受过效应等 [1] 药物透皮吸收的主要障碍是角质层( 有约 40%的蛋白质、40%的水、15%~20%的类脂组成) [2] 。诸如超声波导入(sonophoresis), 化学导入(chemical enhancer), 离子导入(iontophoresis)和电致孔导入(electroporation) 等方法已经被用来提高经皮给药渗透性 [1,3,4] 。 1995 年, 美国麻省理工学院三位科学家首次报道了利用低频超声波介导成功地将胰岛素透入皮内的实验后 [3] , 自此利用低频超声介导经皮给药的研究已引起广泛重视。国外的 Sontra Medical 药厂已将超声波技术用于转运局部麻醉药物, 这项技术称为 SonoPrep [5] 。

　　此外, Encapsulation Systems 的 U-Strip [6] 也使用了超声波透皮技术。国内对于超声经皮给药系统的具体研制几乎没有, 为此本文设计了该低频超声经皮给药系统。研究表明空化作用是超声波透皮给药的主要机制 [7] 。超声的频率越低, 空透组织越深, 药物透入也越多, 30kHz 以下低频超声可显著地增强药物经皮运输过程 [8] 。其次, 不同强度能量的超声波和不同直径的传感器对机体的作用也是不同的 [9] 。再次, 温度对于经皮透析也有影响, 虽然一定的温度可以提高渗透率 [10] , 但是太高的温度会引起皮肤烫伤 [11] 。因此, 如何把各个因素综合考虑以达到既保证较高的渗透率又避免对人体产生灼伤及机能的破坏是个难题, 目前国内尚无类似系统完成该难点。本文综合考虑以上各种影响因数, 采取单片机控制的低频超声恒温水浴方法, 并实现给药池内多点测温。既利用恒温水浴促进透析率的提高又利用越限报警防止高温对人体的伤害。由于考虑个体差异, 故设计中使超声波的频率、强度及水浴恒温值可调。

　　综上所述, 本文所用的频率为 20kHz~30kHz, 强度为 0W/cm 2 ~3W/cm 2 , 温度为 40℃~50℃。该超声经皮给药系统可对慢性肾功能不全、尿毒症、骨、关节炎和全身性皮肤病的患者使用药物经皮渗透。文中主要介绍该系统内核心的硬件模块, 软件设计实现和预警保护手段。

　　2 硬件设计

　　系统包括温度检测变送模块、恒温控制模块和超声波产生控制模块三大部分。结构如图 1 所示。设计中采用 DS80C320 单片 CPU。因其具有以下优点:1.新型的高速结构, 最大晶振频率为 33MHz , 机器周期为 4 个时钟周期( 普通 51 系列单片机为 12 个时钟周期), 从而使每条 8051 的命令执行速度在相同晶振速率下快 1.5~3 倍;2.可通过改变 MOVX 指令的执行时间来访问不同的 RAM 及外围器件, 这样可极大地简化数据转换和存储时序的控制。双数据指针(DPTRS)可加快模块数据的传送;3.有 7 个附加中断源, 可方便地对温度、超声、越限报警及其它出发信号进行控制。DS80C320 是整个系统的控制核心, 它控制三大模块的工作以及电源、复位、显示、键盘等的协同工作。