基于流固耦合效应的金字塔形中空微针经皮给药系统建模与优化研究

　　本研究针对中空微针(HMNs)在经皮给药(TDD)应用中机械稳定性与给药效率难以平衡的问题，通过建立流固耦合(FSI)数值模型，系统分析了针体材料(PLA/PGA/SS)、壁厚、针距(400-1200μm)和双区针长设计等参数对流体流动特性与冯米塞斯应力分布的影响。结果表明：30kPa入口压力下流量提升至0.005μl/s，药物通量增加248.63%；不锈钢材料表现出最低应力(13213N/m2)；双区针阵设计使总体通量提升90.8%。该研究为优化微针设计提供了重要理论依据，对推进临床应用的经皮给药技术创新具有重要意义。

　　

在当代医学领域，经皮给药系统正成为替代传统注射方式的重要创新技术。其中，中空微针（Hollow Microneedles, HMNs）因其能无痛穿透皮肤角质层（Stratum Corneum, SC），直接将药物输送至真皮层的特点而备受关注。然而，这种技术的实际应用仍面临重大挑战：如何平衡微针的机械稳定性与药物输送效率？不同材料的微针在受力时会产生怎样的形变？这些形变又如何影响药物在皮肤组织中的扩散过程？这些问题亟待通过跨学科的深入研究予以解答。

为系统解决这些科学问题，来自英国拉夫堡大学的研究团队在《Journal of Drug Delivery Science and Technology》发表了创新性研究。他们采用计算流体力学与固体力学相结合的流固耦合（Fluid-Structure Interaction, FSI）分析方法，建立了金字塔形中空微针的三维数学模型，并选用芬太尼（Fentanyl）作为模型药物，通过COMSOL Multiphysics 6.2软件平台进行了多物理场仿真模拟。

研究人员主要采用了几项关键技术方法：首先建立了包含角质层（20μm）、活性表皮层（150μm）和真皮层（800μm）的三维多层皮肤模型，采用超弹性、各向异性材料特性模拟真实皮肤组织；其次运用有限元法（Finite Element Method, FEM）进行网格独立性验证，确保计算结果的准确性；同时采用达西定律（Darcy's Law）描述多孔介质中的流体运动，通过Beavers-Joseph界面条件耦合自由流动区与多孔介质区的传输过程；最后利用反向差分公式（Backward Differentiation Formulas, BDF）进行瞬态求解，全面模拟了药物在皮肤组织中的对流-扩散过程。

5.1. Effect of inlet fluid pressure

研究显示入口压力对给药性能具有显著影响。当压力从10kPa提升至30kPa时，流体流速从0.001m/s增加至0.003m/s，药物通量提升248.63%。高压条件下（25-30kPa），药物浓度在20分钟内即可达到稳定值的90%，而低压条件（10kPa）则需要60分钟。同时，组织位移分析表明压力超过25kPa后会出现饱和效应，组织抵抗限制进一步变形。

5.2.1. Effect of wall thickness and HMN materials

材料力学性能对比显示，不锈钢（SS）表现出最优的机械稳定性，在30kPa压力下冯米塞斯应力仅为13213N/m2。聚乙醇酸（PGA）和聚乳酸（PLA）的应力值分别为17000N/m2和20000N/m2，但通过增加壁厚可有效降低应力水平——壁厚从250μm增至700μm时，PLA应力降低2.66%，PGA降低0.79%。

5.2.2. Effect of HMN pitch

针距参数研究表明，增大针距从400μm至1200μm可使皮肤孔压降低72%，同时药物浓度提升11.4%。当针距超过1000μm时，浓度提升效果趋于饱和（仅增加3%），表明存在最优针距范围。针距为1200μm时，药物流线分布显示各微针扩散场相互独立，形成异质分布模式。

5.2.3. Effect of HMN channel (lumen) diameter

通道直径增大会显著改变流体动力学特性。直径从40μm增至70μm时，流速降低38.46%（从0.0026m/s至0.0016m/s），但总通量提升117.8%。大直径通道（70μm）在40分钟内即可达到峰值浓度9.16×10^-1 mol/m3，而小直径通道（40μm）需要80分钟才能达到相似浓度。

5.2.4. Effect of dual-zone HMNs

双区微针设计（350μm和600μm长度组合）可实现表皮层和真皮层的同步给药。增加针数从2至9根时，药物浓度提升37.12%，总通量从2.92×10^-7增至1.53×10^-6 mol/m2s。但超过6根针后改善效果有限，表明存在最佳针数配置。

研究结论部分强调，通过FSI建模可有效优化中空微针的设计参数。不锈钢材料虽机械性能优异，但可生物降解的PLA和PGA通过结构优化也能满足临床应用需求。双区针长设计能同时针对表皮和真皮层给药，显著提升给药效率。讨论部分指出，该研究建立的数学模型能准确预测微针受力形变与药物扩散的耦合过程，为未来个性化微针设计提供了理论框架。特别是对芬太尼等强效药物的经皮输送系统开发具有指导意义，有望推动疼痛管理领域的给药技术革新。

值得注意的是，研究也发现了某些参数的饱和效应，如压力超过25kPa、针距超过1000μm或针数超过6根时，改善效果逐渐减弱。这种非线性关系为临床应用中参数优化提供了重要边界条件，避免过度设计造成的资源浪费。

该研究的创新性在于首次系统量化了流固耦合效应在中空微针给药过程中的作用机制，建立了多参数协同优化的设计方法，为下一代智能经皮给药系统的开发奠定了坚实基础。