由各种生物膜组成的人体生理屏障共同构成人体严密的防御体系,发挥着防止外敌“入侵”的重要生理功能,但也是将药物递送至病灶部位所需要突破的一道樊篱。局部给药中存在着各种严重影响药物生物利用度的膜屏障,如眼部给药时的泪膜屏障和角膜屏障,经皮给药时的角质层膜屏障等。对于临床内耳局部给药而言,鼓膜和圆窗膜是需要克服的两道主要膜生理屏障。目前克服耳部膜生理屏障的方法可分为生物学方法、化学方法、物理学方法和药剂学改进法四类。其中物理学方法因给药效率高,给药方式简单便捷等原因,近年来受到众多科研工作者的关注。常见的物理方法如超声打开生理屏障、通过微针实现透皮给药、电穿孔、磁导入等。然而,使用物理方法打开生理屏障易造成机体损伤,且屏障打开后不能控制关闭,潜在风险较大。同时,鉴于耳部双重生理屏障结构的特殊性,普通的物理学方法无法实现外耳/中耳/内耳双重屏障的连续跨越,且存在病人耐受性差等缺点。因此,寻求一种可以连续克服外耳/中耳/内耳双重屏障,实现将治疗物质以一种安全有效的方式直接递送至内耳病灶部位的药物递送方法具有重要意义。本研究构建了一种能将化学能转化为动能的微米级装置——微型机器人,该装置主体为具有特殊结构的中空巧克力棒状微管,能够装载两种具有不同声致液滴蒸发特性的全氟化碳乳剂,借助能够产生具有时空控制能力的超声波触发信号的超声系统控制平台,利用两种乳剂在不同参数超声波处理下产生能量转换的特性,通过外加磁场控制微型机器人的运动方向和有效负荷的发射方向,实现微型机器人给药装置的自主运动和有效负荷的跨膜递送,为治疗药物主动连续克服外耳/中耳/内耳双重屏障,直接递送至内耳病灶部位提供了可能性。采用表面溶胶凝胶法制备微型机器人结构系统,由四氯化硅溶液通过水解、缩合、陈化、干燥等反应和处理,在聚碳酸酯多孔膜内部形成了一种具有良好形态和强度的不对称中空二氧化硅微管。通过层层自组装法在制备过程中加入磁性四氧化三铁纳米粒子,获得了一种具有磁性的三明治巧克力棒状微管,并使用3-氨丙基三乙氧基硅烷对其内表面进行氨基功能化修饰,最终获得了微型机器人给药装置的结构系统。利用超声乳化法制备了全氟壬烷乳剂和载香豆素6的全氟己烷乳剂,两种乳剂的ζ电位分别为-40 mV和-60 mV,具有良好的物理稳定性。并用激光共聚焦显微镜考察了全氟己烷乳剂在结构系统(微管)内表面的静电力吸附及稳定性,结果表明内表面修饰了正电性氨基功能团的微管能够通过静电力相互作用吸附负电性的全氟己烷乳剂。同时考察了温敏凝胶和有效负荷的适宜装载参数,结果表明,利用气体的热胀冷缩原理,全氟壬烷乳剂、温敏凝胶和纳米粒能够以1:2:1比例混合,装载15 s后,微型机器人装置的结构系统可在室温下成功装载有效负荷。通过大量的文献调研和考察,成功搭建了超声发射平台,该超声发射平台由PXI信号发生器、射频放大器、阻抗匹配器和超声波换能器组成。同时搭建了适用于体内外实验的装置。使用NI Lab VIEW软件建立了超声发生器的驱动程序,用以设定合适的信号函数;使用光纤水听器测试系统对超声发射平台的声学性能进行了考察;通过理论计算和文献查阅确定了两种乳剂的超声触发参数,一级超声参数为2.25MHz中心频率,20ps作用时间,二级超声参数为4MHz中心频率,10ms作用时间。同时,使用Micro CT对豚鼠颅骨中的听泡进行了 3D成像,以确定体内外实验时豚鼠和超声探头之间的相对位置。使用高效液相色谱法验证了一、二级超声参数的有效性,结果表明一级超声参数在驱动微型机器人给药装置的运动的同时不会导致所装载有效负荷的泄漏,二级超声参数可成功将有效负荷从装置中释放出来。用温敏凝胶作为模型,通过激光共聚焦显微镜进行逐层扫描,结果表明该装置在体外具备运动能力和有效负荷发射的能力。最后,将该装置应用于豚鼠离体听泡,激光共聚焦结果表明装置具备独立的跨鼓膜运动能力和发射有效负荷跨圆窗膜的能力。将两种荧光物质,尼罗红和香豆素6,作为实现跨鼓膜递送和跨圆窗膜递送的标志物。采用高效液相色谱法检测外耳道灌洗液、中耳腔灌洗液和内耳外淋巴液中两种荧光物质的含量,表明微型机器人给药装置具备在体跨鼓膜能力和跨圆窗膜递送物质的能力。同时,使用激光共聚焦显微镜观察到微型机器人给药过程中在鼓膜中的运动痕迹以及壳聚糖纳米粒在圆窗膜中的分布情况。最后从细胞毒性和动物体单剂量给药和多剂量给药毒性方面,考察了微型机器人给药装置的生物安全性问题。细胞毒性实验表明,微型机器人给药装置的结构系统(微管)和有效负荷(壳聚糖纳米粒)在一定浓度范围内不会抑制HEI-OC1细胞和L929细胞的生长。豚鼠分别经微型机器人给药装置单剂量给药和多剂量给药后,中耳腔黏膜不会发生器质性损伤,无炎症;内耳基底膜毛细胞形态良好,血常规指标正常,血液生化指标提示未造成生理性指标的改变,重要器官组织切片显示无肾毒性、肝毒性和心脏毒性。综上所述,本文构建的微型机器人装置可以进行自主运动和有效负荷的发射,连续克服鼓膜和圆窗膜双重耳生理屏障,实现有效负荷从外耳道到内耳淋巴液的直接递送,提高了纳米粒的递送效率。该装置的设计为中耳和内耳疾病的治疗提供一种新的输送平台,为临床上克服体内生理屏障提供一种新的思路。