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你是否想過，未來某一天，我們可以通過服用一顆微型智能載體，讓它在體內默默工作，實時監(jiān)測和管理我們的健康狀況，完成任務后悄然退出？

雖然這一未來場景令人興奮，但要實現(xiàn)它仍面臨諸多挑戰(zhàn)。其中最關鍵的難點在于：如何讓智能載體在胃腸道內精準滯留，避免被消化液沖刷排出？

近日，麻省理工學院的應斌斌博士、美國國家科學院院士羅伯特·蘭格教授以及Giovanni Traverso教授研發(fā)出了一種全新界面技術——e-GLUE。這一突破性技術成功解決了胃腸道環(huán)境中長時間穩(wěn)定附著的難題，為可編程滯留的智能載體鋪平了道路。

e-GLUE的核心創(chuàng)新在于將水凝膠材料的柔軟特性與電黏附的高效界面作用力相結合，成功克服了胃腸道復雜環(huán)境中的長期附著難題。水凝膠材料的柔軟特性使其能夠貼合胃腸道復雜的幾何形態(tài)，而電黏附技術則通過外加電場激活陽離子聚合物，使其與黏膜中的多陰離子蛋白產生牢固的交聯(lián)。這種雙重機制使e-GLUE在動態(tài)的體液環(huán)境和胃腸道蠕動中都能穩(wěn)固附著，并將黏附強度提升了30倍以上。

該研究論文以《電致粘附水凝膠界面延長豬胃腸道粘膜的診斷與治療》為題，在Science Translational Medicine期刊上正式發(fā)表。

值得一提的是，通過短短約1分鐘的電刺激，e-GLUE技術可使智能載體與深層黏膜發(fā)生交聯(lián)作用，使附著時間長達30天。這一獨特的能力為胃腸道治療和診斷提供了全新的解決方案。

例如，在治療胃腸道反復性出血時，e-GLUE可被用于局部止血裝置的穩(wěn)定附著；在治療潰瘍性結腸炎等慢性疾病時，它可實現(xiàn)藥物的精準緩釋；此外，它還可支持黏膜傳感器的長期穩(wěn)定性，用于持續(xù)監(jiān)測胃腸道生理指標，如炎癥標志物和組織阻抗值等。

這一創(chuàng)新性機制的應用不僅顯著提升了胃腸道治療設備的臨床價值，還為黏膜界面生物技術開辟了新的研究方向。通過增強的電黏附界面，e-GLUE為實現(xiàn)長效、精準的治療和監(jiān)測提供了強有力的技術支撐，為個性化醫(yī)療帶來了深遠影響。

該研究的起點源于一個關鍵挑戰(zhàn)：如何在胃腸道這樣復雜且動態(tài)的環(huán)境中實現(xiàn)生物材料或設備的穩(wěn)定長時間附著。由于胃腸道具有快速更新的黏液層、上皮細胞、持續(xù)的機械蠕動和化學侵蝕，傳統(tǒng)附著材料難以在體內停留超過24小時。這一限制顯著影響了其在藥物遞送、止血和生理信號監(jiān)測等領域的實際應用效果。

為此，研究團隊開發(fā)了e-GLUE技術。這一技術在水凝膠材料中引入了導電組分，利用外加電場驅動陽離子聚合物穿透黏液層并與深層黏膜中的多陰離子蛋白實現(xiàn)交聯(lián)。這種機制顯著提升了附著強度，并且可以通過電場的精準調控實現(xiàn)靈活應用，為更多應用場景提供了可能性。

這項工作的靈感來源于應斌斌博士在攻讀博士學位期間的研究工作。當時，他與合作者開發(fā)了一種新型雙層離子水凝膠，通過巧妙設計的陰離子和陽離子層疊結構，模擬了二極管的物理特性。這種創(chuàng)新性設計實現(xiàn)了對離子間相互作用的精確調控，從而顯著提升了水凝膠在濕潤界面的附著性能。

這一突破性成果不僅突破了傳統(tǒng)水凝膠在附著性能上的局限性，更揭示了一種全新的附著機理：電場驅動下，陽離子與多陰離子蛋白之間實現(xiàn)了交聯(lián)固定，使得水凝膠材料能夠從表層黏液深入至黏膜上皮細胞，從而實現(xiàn)了一種持久穩(wěn)定的附著狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)為動態(tài)生物界面材料的設計與開發(fā)提供了全新的思路。

e-GLUE 技術框架的應用不僅限于胃腸道領域，還展現(xiàn)了其在跨學科研究中的廣闊前景。該技術可以擴展至呼吸道、泌尿系統(tǒng)等其他黏膜表面組織的研究，從而進一步推動黏附界面技術的普適化與廣泛應用。

通過這項研究，我們希望能夠加速胃腸道治療設備和診斷工具的技術發(fā)展，并為動態(tài)生物環(huán)境中材料的系統(tǒng)性設計提供理論依據(jù)。

審稿專家對本研究給予了高度評價。其中一位審稿人高度贊賞這項研究在創(chuàng)新性、應用潛力和實際效果方面的卓越表現(xiàn)，特別是其在實現(xiàn)超長時間附著方面所取得的突破性成果。

另一位審稿人特別強調，這項研究不僅在理論上展示了電黏附水凝膠的材料設計優(yōu)勢，還通過一系列體外和體內實驗驗證了其在止血、局部藥物遞送、黏膜組織傳感等多個實際應用場景中的有效性。

更為重要的是，審稿專家一致認為，e-GLUE 的電黏附機制為開發(fā)新型黏膜界面材料開辟了全新的研發(fā)方向，不僅有助于解決現(xiàn)有胃腸道醫(yī)療設備穩(wěn)定性不足的問題，還可能對更廣泛的生物界面材料研究產生深遠影響。

本研究的技術應用前景非常廣闊，尤其是在醫(yī)療領域。具體而言：

1. 局部藥物遞送：通過將 e-GLUE 與藥物載體相結合，可以實現(xiàn)藥物直接遞送到胃腸道特定病灶部位，從而實現(xiàn)精準、持續(xù)的治療效果。這對于治療潰瘍性結腸炎、克羅恩病等慢性病具有重要意義。

2. 胃腸道診斷設備：基于 e-GLUE 的長期黏附傳感器可以用于監(jiān)測胃腸道的 pH 值、炎癥標志物及其他生理指標，為臨床醫(yī)生提供更加實時、動態(tài)的病情信息，從而提高診斷的準確性和治療的效率。

3. 微型機器人輔助治療：e-GLUE技術可以集成到可控微型機器人上，用于胃腸道內的精準定位和治療。

4. 非胃腸道應用：這項技術同樣可以推廣到其他需要長時間附著的生物界面，例如肺、陰道或膀胱，從而解決不同場景下的醫(yī)療需求。

他們預測，在未來2到5年內，這項技術將進入臨床試驗階段，甚至在某些領域實現(xiàn)初步商業(yè)化。

剛剛加入這個課題時，他們首次使用離體豬腸胃組織進行實驗。面對這一真實而復雜的實驗材料，應斌斌既充滿熱情又面臨諸多挑戰(zhàn)。然而，早期實驗結果卻讓人哭笑不得。由于當時的水凝膠配方、電場條件和電極設計還不夠完善，每次在通風柜中操作時，總有烤肉的焦味飄散——那是電流導致組織局部溫度過高的結果。

這一問題不僅讓團隊費盡心思，也帶來了意想不到的幽默。同事們 quickly為這個技術起了個綽號“BBQ”，形象地描述了他們“燒烤”豬組織的實驗狀態(tài)。這一玩笑話不僅成為團隊間的調侃，也時刻提醒他們：溫度控制問題必須盡快解決。

在攻克這一問題的過程中，團隊進行了大量細致的優(yōu)化工作。包括本課題的重要合作者、現(xiàn)已入職浙江大學的南科望研究員在內的團隊，對水凝膠的導電性、電場強度以及電極形狀等關鍵參數(shù)進行了系統(tǒng)優(yōu)化。這一過程歷時長達一年半，充滿了試驗失敗和技術迭代的挑戰(zhàn)。

最終，他們成功設計出一種既能有效控制溫度升至43攝氏度以下，又能保持高黏附力的解決方案。當他們在活體豬實驗中首次實現(xiàn)溫度穩(wěn)定在43攝氏度以下，并且材料穩(wěn)穩(wěn)附著在組織表面時，那一刻的喜悅和成就感難以言喻。

這一“小插曲”不僅為團隊在緊張的科研工作中帶來了片刻的輕松，也讓應斌斌深刻體會到，科學研究的魅力在于不斷解決未知問題的過程中。每一個看似困難的挑戰(zhàn)背后，都蘊藏著創(chuàng)新的機會。通過堅持與細致打磨，他們終于迎來了突破，也在這個過程中加深了團隊間的默契與信任。

接下來，他們的研究計劃將著重圍繞以下幾個方向展開，以進一步推動e-GLUE技術的創(chuàng)新與落地應用：

首先，構建精細的數(shù)學模型，深入探究e-GLUE黏附行為的底層機理，包括電場激勵對材料性能的動態(tài)影響。這將幫助他們進一步提升材料的黏附強度，并增強其在極端環(huán)境中的長期穩(wěn)定性，從而為更為嚴苛的臨床應用奠定基礎。

此外，他們計劃將e-GLUE技術整合到下一代智能設備中，例如在設備中加入微型攝像頭和導航系統(tǒng)，并實現(xiàn)溫度、pH值、壓力和電阻等傳感功能。這些功能的集成不僅能夠大幅拓展e-GLUE的應用范圍，還能實現(xiàn)更加智能化的操控，為個性化醫(yī)療提供全新的技術支持。

特別指出，他們還將開展大規(guī)模的長期動物實驗，重點驗證e-GLUE多功能設備在實際胃腸道環(huán)境中的安全性和穩(wěn)定性。這些實驗結果將為后續(xù)的臨床研究提供更加可靠的數(shù)據(jù)支持。

最后，他們計劃與消化科醫(yī)生深入合作，共同探索e-GLUE技術在多種慢性胃腸道疾病中的潛在應用，包括胃蠕動緩慢、慢性腸胃道出血以及炎癥性腸病的診斷和治療。這些研究將為最終的臨床轉化奠定重要基礎。

通過這些持續(xù)的努力，他們希望進一步推動e-GLUE技術從實驗室走向臨床應用，最終為胃腸道疾病的檢測和治療帶來革命性的變革。

應斌斌補充道，作為一項具有前沿性的基礎材料技術，e-GLUE的應用價值不僅限于胃腸道領域。它在其他具有黏膜表面組織的系統(tǒng)中同樣展現(xiàn)出巨大的潛力。例如，在呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)中，e-GLUE的卓越黏附性能被用于開發(fā)集成傳感器、藥物緩釋設備等智能化工具，從而實現(xiàn)相關疾病的精準診斷與智能化管理。

展望未來，他們相信e-GLUE技術將為跨學科研究帶來新的機遇。通過與呼吸疾病專家、泌尿科醫(yī)生、生殖醫(yī)學研究者及其他領域科學家的合作，他們希望進一步挖掘和擴展這一技術的潛能，推動其在更多醫(yī)學和工程應用中的創(chuàng)新突破，最終實現(xiàn)其在多個領域的廣泛轉化與價值最大化。

參考資料：

1.https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adq1975

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