胶质母细胞瘤是一种侵袭性极强的脑肿瘤，患者通常需要接受手术切除肿瘤。然而，外科医生很难彻底清除所有癌细胞，肿瘤也因此常常复发。

麻省理工学院的研究人员如今设计出一种可植入式药物递送装置，希望能够帮助防止胶质母细胞瘤的复发。该装置包含一个储药槽，可在较长时间内持续释放药物，同时配备超声波换能器，利用声波帮助药物在脑部更广泛地扩散，并绕过血脑屏障。

这种装置可以在手术过程中植入脑部，随后逐渐释放药物，帮助杀灭残留的肿瘤细胞。植入后，医生可通过无线控制器精确编程超声波的输出剂量，从而增强药物治疗的覆盖范围。

“我们在一个超声阵列中集成了24个换能器，这可以帮助特定药物绕过血脑屏障，并增强药物的扩散效果。该装置还为医生提供了关于尺寸、长度和给药次数等方面的多种选择，”麻省理工学院媒体艺术与科学副教授、该研究的通讯作者坎南·达格德维伦说道。

在今天发表于《Device》期刊的一篇论文中，研究人员展示了他们的超声波装置在组织模型和小鼠实验中，能够使释放出的分子在释放后扩散得更远。

麻省理工学院研究生萨拉·奥尔内拉斯和2026届博士杰森·侯是该研究的主要作者。

超声波增强效果

胶质母细胞瘤是一种罕见但致命的癌症，美国每年确诊病例略超过1万例。患者在确诊后平均存活时间为12到15个月。患者通常需要接受手术，尽可能切除肿瘤，随后进行放疗和化疗。

化疗药物通常以口服药片或静脉输液的形式给药，但近年来，科学家们开发出可直接植入颅骨内的药物递送晶片和水凝胶。这有助于消除化疗的副作用，并确保更高浓度的药物到达脑部。

这些装置的工作原理是药物的被动扩散，但麻省理工学院的研究团队希望设计一种新装置，能够更精确地控制药物释放的时机。他们还希望引入超声阵列，以增强药物分子的扩散效果。

此前的研究表明，超声波通过产生对流，帮助药物分子传播得更远，从而促进其更广泛地分散。超声波产生的机械振荡还能暂时增加血脑屏障的通透性，帮助药物分子进入脑部。

达格德维伦此前曾设计过一种极细的套管，粗细与人类头发相当，可植入脑部用于药物递送。她还研发了一种名为ImPULS的植入设备，利用微型超声波换能器实现深部脑刺激。

在这项新研究中，她的实验室将这些技术结合起来，创造出LUCID（长效超声波增强对流注射装置）——这是一种柔韧的植入装置，厚度仅如一张卡纸。药物递送套管通过3D打印直接制作在由24个微型超声波换能器组成的阵列上。这些换能器会在针尖处产生超声波，帮助药物分子在释放后向组织更深处扩散。

“将药物送入脑部只是挑战的一部分，它还需要在周围组织中扩散开来。我们将一条输送通道与一个微型超声阵列整合到同一个植入装置中，以帮助分子即使在缓慢输注的情况下，也能到达更大范围的区域，”侯说道。

该植入装置的储药槽容量约为100微升，药液输送由一个被动渗透泵提供，超声波则可通过蓝牙进行无线控制。该装置还包含一个可无线充电的小型电池。

在“组织模拟体”——一种经过工程设计、用以模拟人体组织的凝胶状材料——中进行的测试显示，与不使用超声波相比，借助超声波辅助的药物递送能使药物分子扩散得更远。

“通过超声波对局部药物分布进行增强，并实现可编程控制，可以降低非靶向器官中的全身毒性，同时所使用的疗法也更有可能到达受影响区域内的肿瘤细胞，”奥尔内拉斯说道。

更广泛的扩散范围

研究人员还在小鼠体内测试了这一系统，利用该装置递送一种MRI造影剂。当超声阵列被激活时，造影剂在脑部的扩散范围比不使用超声波时更广。

研究人员表示，如果该技术开发用于患者，药物套管和超声阵列将被置于颅骨内部，而装置中包含电池和其他电子元件的部分则可置于颅骨外部。

除了递送小分子药物外，这项技术还可用于递送免疫疗法或核酸类药物，包括基因疗法。它也可能被用于脑部之外的其他器官。

“我们最初是以ImPULS技术为基础，从脑部研究开始的，但最终这项技术可以用于治疗其他软组织，适用于不同类型的药物以及深部体组织中的各类干预措施，”达格德维伦说道。“我们正在证明，我们可以让任何类型的药物以更好的方式分布开来。”

论文的其他作者包括：马萨诸塞州总医院研究助理米哈尔·诺维基；哈佛大学近期毕业生杰里·李；波士顿大学研究生埃洛伊丝·勒布朗；麻省理工学院本科生贝图尔·塞拉·图鲁；麻省理工学院研究专员大卫·萨达特；哈佛医学院神经外科讲师马可·米内奥；心理与脑科学副教授史蒂夫·拉米雷斯；以及哈佛医学院和马萨诸塞州总医院神经外科教授E. 安东尼奥·基奥卡。

该研究由麻省理工学院媒体实验室联盟和美国国立卫生研究院资助。