We present an innovative microfluidic approach to transcranial delivery of small quantities of drugs in brief time pulses for neurobiological studies. The approach is based on a two-stage process of consecutive drug dispensing and delivery, demonstrated by a device featuring a fully planar design in which the microfluidic components are integrated in a single layer. This 2-D configuration offers ease in device fabrication and is compatible to diverse actuation schemes. A compliance-based and normally closed check valve is used to couple the microchannels that are responsible for drug dispensing and delivery. Brief pneumatic pressure pulses are used to mobilize buffer and drug solutions, which are injected via a cannula into brain tissue. Thus, the device can potentially allow transcranial drug delivery and can also be potentially extended to enable transdermal drug delivery. We have characterized the device by measuring the dispensed and delivered volumes under varying pneumatic driving pressures and pulse durations, the standby diffusive leakage, and the repeatability in the delivery of multiple pulses of drug solutions. Results demonstrate that the device is capable of accurately dispensing and delivering drug solutions 5 to 70 nL in volume within time pulses as brief as 50 ms, with negligible diffusive drug leakage over a practically relevant time scale. Furthermore, testing of pulsatile drug delivery into intact mouse brain tissue has been performed to demonstrate the potential application of the device to neurobiology.

中文翻译：

---

用于神经生物学研究的药物脉冲输送的微流体方法

我们提出了一种创新的微流体方法，用于在神经生物学研究中以短时间脉冲经颅输送少量药物。该方法基于连续药物分配和递送的两阶段过程，由具有完全平面设计的设备证明，其中微流体组件集成在单层中。这种 2-D 配置简化了设备制造，并与各种驱动方案兼容。基于合规性且常闭的止回阀用于连接负责药物分配和输送的微通道。短暂的气动压力脉冲用于动员缓冲液和药物溶液，这些溶液通过套管注射到脑组织中。因此，该装置可以潜在地允许经颅药物递送，并且还可以潜在地扩展以实现经皮药物递送。我们通过测量不同气动驱动压力和脉冲持续时间下的分配和输送体积、备用扩散泄漏以及药物溶液多个脉冲输送的可重复性来表征该设备。结果表明，该装置能够在短至 50 ms 的时间脉冲内准确分配和输送体积为 5 至 70 nL 的药物溶液，在实际相关的时间范围内扩散药物泄漏可忽略不计。此外，已对完整小鼠脑组织中的脉冲药物递送进行测试，以证明该装置在神经生物学中的潜在应用。我们通过测量不同气动驱动压力和脉冲持续时间下的分配和输送体积、备用扩散泄漏以及药物溶液多个脉冲输送的可重复性来表征该设备。结果表明，该装置能够在短至 50 ms 的时间脉冲内准确分配和输送体积为 5 至 70 nL 的药物溶液，在实际相关的时间范围内扩散药物泄漏可忽略不计。此外，已对完整小鼠脑组织中的脉冲药物递送进行测试，以证明该装置在神经生物学中的潜在应用。我们通过测量不同气动驱动压力和脉冲持续时间下的分配和输送体积、备用扩散泄漏以及药物溶液多个脉冲输送的可重复性来表征该设备。结果表明，该装置能够在短至 50 ms 的时间脉冲内准确分配和输送体积为 5 至 70 nL 的药物溶液，在实际相关的时间范围内扩散药物泄漏可忽略不计。此外，已对完整小鼠脑组织中的脉冲药物递送进行测试，以证明该装置在神经生物学中的潜在应用。以及药物溶液多次脉冲输送的可重复性。结果表明，该装置能够在短至 50 ms 的时间脉冲内准确分配和输送体积为 5 至 70 nL 的药物溶液，在实际相关的时间范围内扩散药物泄漏可忽略不计。此外，已对完整小鼠脑组织中的脉冲药物递送进行测试，以证明该装置在神经生物学中的潜在应用。以及药物溶液多次脉冲输送的可重复性。结果表明，该装置能够在短至 50 ms 的时间脉冲内准确分配和输送体积为 5 至 70 nL 的药物溶液，在实际相关的时间范围内扩散药物泄漏可忽略不计。此外，已对完整小鼠脑组织中的脉冲药物递送进行测试，以证明该装置在神经生物学中的潜在应用。