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科技进步:MIT赵选贺团队发明可食用水凝胶电子 监控核心体征30天

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发表于 2019-2-1 09:01:00 | 显示全部楼层 |阅读模式
在今日发表在NatureCommunications的文章中,MIT赵选贺团队首次提出并实现可食用水凝胶电子设备,将那颗梦想的果冻向现实推进了一步。口服水凝胶胶囊只有一粒药丸大小,口服后在胃中快速吸水膨胀体积100倍左右,能够长期滞留在胃腔内部。该水凝胶器件在胃中可以同时保持柔软性和抗疲劳性:一方面,它能够实现与胃腔膜的柔性接触,避免磨损胃腔,引起胃溃疡等不良排异反应;另一方面,能够长期抵抗胃腔的机械蠕动和胃酸的化学腐蚀。此外,通过在水凝胶中嵌入电子传感器(例如温度传感器),可以持续监测核心体征(例如胃内温度)长达一个月。
吃一颗果冻,就可以长期监控核心体征例如温度、pH、进食和吃药情况、以及消化道病变30天。不用担心手术植入发炎、下胃镜痛苦、每天穿戴和充电的麻烦。这颗果冻器件可能是很多病人、医生、科学家、工程师和普通人多年的梦想。现有的可服用器件多是基于金属、硅、陶瓷、玻璃和塑料的,它们比人体消化道坚硬很多倍,有的需要胃镜递送甚至手术麻醉,可能给人体造成很多痛苦和不便。同时,现有的可吞服器件又大多受限于胃肠转运时间,最多在消化道内滞留一两天,不能长期监测体征。
如何实现快速大体积的膨胀的同时,达到理想的力学性能(兼具柔韧性和抗疲劳性)是水凝胶设计中的一个挑战。现有的超吸水水凝胶能够实现大体积的溶胀,但是它们的力学性能很差,无法承受胃腔在酸性环境下周期性的压缩和蠕动。
科技进步:MIT赵选贺团队发明可食用水凝胶电子监控核心体征30天
水凝胶器件的设计思路
赵选贺团队的解决方案是将水凝胶设计成胶囊型,该胶囊由两种材料的水凝胶组成。胶囊内部是聚丙烯酸钠,一种超吸水水凝胶颗粒,能够实现快速吸水和大体积溶胀。但研究人员意识到,如果只是依赖于这些超吸水水凝胶颗粒,他们在胃腔的机械压缩下会快速降解,并排出胃腔,无法实现长期滞留。于是,他们应用了他们最近开发的抗疲劳半晶水凝胶[ScienceAdvances,5:eaau8528(2019)]包裹在超吸水颗粒外层。该水凝胶薄膜具有抗疲劳特性的原因在于,材料中的缺陷扩展需要通过破坏半晶水凝胶内部的晶区。而这些晶区,具备超高断裂强度,可以阻碍裂纹的扩展,进而提供材料抗疲劳特性。该水凝胶薄膜除了可以在长期反复加载下提供力学强度,本身十分柔软光滑,能够与实现消化道组织的柔性接触,避免潜在胃腔内壁磨损等排异反应。
团队的合作者Steiger和Traverso进一步让大型动物(猪,其具有和人类相似的消化道)口服水凝胶电子设备。之后,赵选贺团队从传感器中提取出胃腔温度随时间变化的相关信息。他们发现,通过这些温度数据能够持续30天有效地追踪动物每天的生活习性和进食习惯。
美国亚利桑那州立大学姜汉卿教授点评这项工作:
“可食用器件作为一个新兴领域,可以用来监测重要的生理状态和指标。传统的可食用电子器件是由一些对生物不友好的材料制备而成。赵教授的工作实现了重大的飞跃,他们基于水凝胶创造了一种生物相容、柔软同时具有韧性(抗疲劳性)的可食用器件,能够显著的拓展可食用电子器件的范围。另外,这也是赵教授长期研究的韧性水凝胶的一种新的应用。”
作者的展望
除了药物缓释和核心体征监测,该口服水凝胶技术还能够作为人体消化道和电子设备之间的界面,实现更广泛的生物医药功能。例如,通过嵌入其他传感器(压力、加速度,导电性,酸碱度,气体以及其他的生物标志物),该水凝胶器件可以提供长时间、多维度的生物信号监控,而这种长期监测得到的大数据,可以用于行为模式分析和疾病诊断。
另外,将胶囊胃镜技术和口服水凝胶器件整合起来,可以实现长期、无线的胃镜观察,减轻病患痛苦。溶胀状态的水凝胶器件可以在胃部长期占据大部分体积,引起饱腹感,从而控制体重,有益于减轻肥胖症。
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