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你是否想過，有一天我們可以服用一顆微型“智能膠囊”，它在體內(nèi)悄悄運(yùn)行，實(shí)時(shí)追蹤健康狀況，完成任務(wù)后悄然退出？

雖然這一未來愿景令人興奮，但要實(shí)現(xiàn)它仍需克服諸多挑戰(zhàn)。其中最關(guān)鍵的是：如何讓智能膠囊在胃腸道停留，而非被消化液沖走？

近期，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)取得突破：應(yīng)斌斌博士、美國(guó)科學(xué)院院士羅伯特·蘭蓋教授和蓋owen·traverso教授研發(fā)出了一種全新黏附界面技術(shù)——e-GLUE。這一技術(shù)成功解決了胃腸道環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間附著的難題，為可編程停留的智能膠囊鋪平了道路。

e-GLUE的核心創(chuàng)新在于結(jié)合了水凝膠的柔韌性和電黏附的高效作用力。該技術(shù)能在胃腸道復(fù)雜的環(huán)境和動(dòng)態(tài)條件下，實(shí)現(xiàn)與黏膜的穩(wěn)固附著。水凝膠的柔軟特性使其貼合胃腸道的曲面，而電黏附則通過外加電場(chǎng)激活陽離子聚合物，使其與多陰離子蛋白形成牢固交聯(lián)。這種雙重機(jī)制使e-GLUE在體液環(huán)境和胃腸道蠕動(dòng)中都能保持附著，附著強(qiáng)度是傳統(tǒng)材料的30倍。

該研究發(fā)表在《科學(xué)轉(zhuǎn)化醫(yī)學(xué)》期刊上，題目為《電致粘附水凝膠界面延長(zhǎng)豬胃腸道粘膜的診斷與治療》。

值得一提的是，e-GLUE只需短短1分鐘的電刺激，即可與深層黏膜發(fā)生交聯(lián)，附著時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30天。這一獨(dú)特能力為胃腸道疾病治療和診斷提供了新思路。

例如，e-GLUE可用于局部止血裝置，實(shí)現(xiàn)胃腸道反復(fù)性出血的穩(wěn)定治療；在潰瘍性結(jié)腸炎等慢性病治療中，可實(shí)現(xiàn)藥物精準(zhǔn)緩釋；此外，它還能支持黏膜傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)胃腸道生理指標(biāo)，如炎癥因子和組織阻抗值。

這一創(chuàng)新機(jī)制不僅提升了胃腸道治療設(shè)備的臨床價(jià)值，還為黏膜界面生物技術(shù)開辟了新天地。e-GLUE通過增強(qiáng)的水凝膠界面，為長(zhǎng)效、精準(zhǔn)的治療和監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，推動(dòng)個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展。

該研究起源于一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：如何實(shí)現(xiàn)生物材料或設(shè)備在胃腸道這樣復(fù)雜動(dòng)態(tài)環(huán)境中的穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間附著。胃腸道因快速更新的黏液層和上皮細(xì)胞、持續(xù)機(jī)械蠕動(dòng)以及化學(xué)侵蝕，傳統(tǒng)附著材料難以停留超過24小時(shí)。這一限制顯著影響了其在藥物遞送、止血和生理信號(hào)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的應(yīng)用效果。

為此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了e-GLUE。這一技術(shù)在水凝膠中引入了導(dǎo)電成分，利用外加電場(chǎng)驅(qū)使陽離子聚合物穿透黏液層，與深層黏膜中的多陰離子蛋白交聯(lián)，顯著提升了附著強(qiáng)度。e-GLUE的附著強(qiáng)度可通過電場(chǎng)進(jìn)行精確調(diào)控，為多種應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活性。

應(yīng)斌斌在攻讀博士學(xué)位期間的靈感來源于他與合作者共同開發(fā)了一種新型雙層離子水凝膠技術(shù)。這種創(chuàng)新性設(shè)計(jì)通過巧妙地將聚陰離子層和聚陽離子層交替排列，成功實(shí)現(xiàn)了類似二極管的電學(xué)特性。通過精確調(diào)控離子間的相互作用機(jī)制，他們不僅提升了水凝膠的信號(hào)傳導(dǎo)效率，還增強(qiáng)了其在濕潤(rùn)界面的黏附性能。這一研究經(jīng)驗(yàn)啟發(fā)了應(yīng)斌斌和其團(tuán)隊(duì)，促使他們進(jìn)一步探索電荷交互機(jī)制在提升水凝膠黏附性能方面的潛力。

這項(xiàng)創(chuàng)新性研究不僅突破了傳統(tǒng)水凝膠在黏附性方面的限制，更揭示了一種全新的黏附機(jī)制。通過電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的陽離子與多陰離子蛋白的交聯(lián)作用，材料能夠突破表層黏液的限制，深入至黏膜上皮層，從而實(shí)現(xiàn)持久穩(wěn)定的界面結(jié)合。這一發(fā)現(xiàn)為動(dòng)態(tài)生物界面材料的設(shè)計(jì)與開發(fā)提供了全新的思路和理論依據(jù)。

e-GLUE 技術(shù)框架的應(yīng)用不僅僅局限于胃腸道領(lǐng)域，還展現(xiàn)了其在跨領(lǐng)域研究中的巨大潛力。該技術(shù)不僅適用于呼吸道、泌尿系統(tǒng)等其他黏膜表面的組織研究，還為黏附界面技術(shù)的普適性應(yīng)用提供了新的思路。這種技術(shù)的擴(kuò)展應(yīng)用將極大地推動(dòng)黏附界面材料在醫(yī)學(xué)和生物工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

通過這項(xiàng)研究，他們希望進(jìn)一步推動(dòng)胃腸道治療和診斷設(shè)備的技術(shù)發(fā)展，并為動(dòng)態(tài)生物環(huán)境中材料的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論支持。這一目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，將為臨床醫(yī)學(xué)帶來更精準(zhǔn)、更高效的治療方案。

審稿專家對(duì)這項(xiàng)研究給予了高度評(píng)價(jià)。其中一位審稿人高度認(rèn)可了研究中對(duì)電泳原理的創(chuàng)新性應(yīng)用，認(rèn)為該技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電黏附水凝膠在濕潤(rùn)生物黏膜界面的超長(zhǎng)時(shí)間附著，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)胃腸道黏附材料。

另一位審稿人則特別強(qiáng)調(diào)了研究的理論與應(yīng)用雙重價(jià)值。他指出，這項(xiàng)研究不僅在材料設(shè)計(jì)上具有理論優(yōu)勢(shì)，更通過一系列體外和體內(nèi)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在止血、局部藥物遞送以及黏膜組織傳感等實(shí)際應(yīng)用中的潛力。這種多維度的應(yīng)用前景，使得研究具有重要的臨床轉(zhuǎn)化價(jià)值。

審稿專家一致認(rèn)為，e-GLUE 的電黏附機(jī)制為開發(fā)新型黏膜界面材料開辟了全新的研究方向。這一發(fā)現(xiàn)不僅能夠有效解決現(xiàn)有胃腸道醫(yī)療設(shè)備穩(wěn)定性不足的問題，還可能對(duì)更廣泛的生物界面材料領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

這項(xiàng)技術(shù)的潛在應(yīng)用前景非常廣闊，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域的各項(xiàng)臨床操作中都可能發(fā)揮重要作用。具體而言：

1. 局部藥物遞送：通過將 e-GLUE 技術(shù)與藥物載體相結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)藥物直接遞送到胃腸道特定的病灶部位，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、長(zhǎng)時(shí)間的治療效果。這種技術(shù)在治療潰瘍性結(jié)腸炎、克羅恩病等慢性腸道疾病中具有重要的臨床應(yīng)用價(jià)值。

2. 胃腸道診斷設(shè)備：基于 e-GLUE 的長(zhǎng)期黏附傳感器技術(shù)可以用于監(jiān)測(cè)胃腸道的 pH 值、炎癥標(biāo)志物以及其他生理指標(biāo)，為臨床醫(yī)生提供更實(shí)時(shí)、更動(dòng)態(tài)的病情信息，從而提高診斷的準(zhǔn)確性和效率。

微型機(jī)器人輔助治療：e-GLUE技術(shù)經(jīng)過優(yōu)化后可以集成到可控微型機(jī)器人上，用于胃腸道內(nèi)的高精度定位和治療。

非胃腸道應(yīng)用：這項(xiàng)技術(shù)不僅限于胃腸道，還可以拓展到需要長(zhǎng)時(shí)間附著的其他生物界面，如肺、陰道或膀胱等，從而滿足多樣化的醫(yī)療需求。

研究團(tuán)隊(duì)預(yù)測(cè)，未來2至5年內(nèi)，e-GLUE技術(shù)將進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，并在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)初步商業(yè)化。

剛剛開始這個(gè)課題時(shí)，他們首次獲得離體豬腸胃組織用于實(shí)驗(yàn)。面對(duì)這樣復(fù)雜且真實(shí)的實(shí)驗(yàn)樣本，應(yīng)斌斌既感到興奮又充滿挑戰(zhàn)。然而，早期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻常常讓人忍俊不禁。由于當(dāng)時(shí)的水凝膠配方、電場(chǎng)條件以及電極設(shè)計(jì)尚不成熟，每次在通風(fēng)柜中操作時(shí)，總有烤肉般的烤焦味飄出——這是電流導(dǎo)致組織局部溫度過高的直接后果。

這個(gè)問題不僅讓團(tuán)隊(duì)費(fèi)盡心思解決，還意外帶來了不少歡樂和輕松感。同事們 soon 給這個(gè)技術(shù)起了個(gè)俏號(hào)“BBQ”，生動(dòng)地描述了他們?cè)趯?shí)驗(yàn)中“燒烤”豬組織的狀態(tài)。這個(gè)玩笑不僅成為團(tuán)隊(duì)間的調(diào)侃話題，也時(shí)刻提醒著他們：這個(gè)溫度升高的問題必須盡快解決。

在攻克這一難題的過程中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量細(xì)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(xué)的南科望研究員在內(nèi)的多位同事，對(duì)水凝膠的導(dǎo)電性、電場(chǎng)強(qiáng)度以及電極形狀等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了系統(tǒng)性的調(diào)整。這一過程歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)1年半，充滿了試驗(yàn)失敗和技術(shù)創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。

最終，他們成功研發(fā)出一種既能有效控制溫度升高、又能保持高黏附力的解決方案。當(dāng)他們?cè)诨铙w豬實(shí)驗(yàn)中首次實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定在43攝氏度以下，且材料穩(wěn)穩(wěn)附著在組織表面時(shí)，那一刻的喜悅和成就感難以用語言形容。

這個(gè)意外不僅讓團(tuán)隊(duì)在緊張的科研工作中找到了片刻的輕松，也深刻地讓應(yīng)斌斌體會(huì)到，科學(xué)研究的魅力不在于解決問題本身，而在于解決未知問題的過程中所獲得的創(chuàng)新機(jī)會(huì)。每一個(gè)看似困難的挑戰(zhàn)背后，都隱藏著創(chuàng)新的可能性。正是通過不懈的努力與持續(xù)的打磨，他們最終迎來了突破，也在這個(gè)過程中加深了團(tuán)隊(duì)成員間的默契與信任。

接下來，他們的研究計(jì)劃將聚焦于以下方向，以進(jìn)一步推動(dòng)e-GLUE技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用落地：

首先，他們將構(gòu)建精細(xì)的數(shù)學(xué)模型，深入研究e-GLUE黏附行為的底層機(jī)制，包括電場(chǎng)激勵(lì)對(duì)材料性能的動(dòng)態(tài)影響。這將有助于他們進(jìn)一步提升材料的黏附強(qiáng)度，并增強(qiáng)其在極端環(huán)境中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從而為更為嚴(yán)苛的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

此外，他們打算將e-GLUE技術(shù)整合到下一代智能設(shè)備中，具體措施包括在設(shè)備上加入微型攝像頭和導(dǎo)航系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)溫度、pH值、壓力和電阻等多維度的傳感器功能。這些功能的整合不僅能夠極大地拓寬e-GLUE技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，還能夠?qū)崿F(xiàn)更加智能化的控制，為個(gè)性化醫(yī)療提供強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

此外，他們還將開展大規(guī)模的長(zhǎng)期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)評(píng)估e-GLUE多功能設(shè)備在實(shí)際胃腸道環(huán)境中的安全性和穩(wěn)定性。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為后續(xù)的臨床研究提供更為可靠的依據(jù)。

此外，他們計(jì)劃與消化科醫(yī)生緊密合作，開展小規(guī)模的臨床前研究，探索e-GLUE技術(shù)在胃蠕動(dòng)緩慢、慢性腸胃道出血以及炎癥性腸病等慢性胃腸道疾病中的潛在應(yīng)用。這些研究將為e-GLUE技術(shù)在臨床轉(zhuǎn)化中的應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

通過以上方向的持續(xù)努力，他們希望能夠進(jìn)一步推動(dòng)e-GLUE技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室向臨床應(yīng)用轉(zhuǎn)化，最終為胃腸道疾病的診斷和治療帶來革命性的變革。

應(yīng)斌斌補(bǔ)充道，作為一項(xiàng)前沿性的基礎(chǔ)材料技術(shù)，e-GLUE的應(yīng)用價(jià)值不僅限于胃腸道領(lǐng)域。它在其他具有黏膜表層的器官系統(tǒng)中同樣具有巨大的潛力。例如，在呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)以及生殖系統(tǒng)中，e-GLUE的卓越附著特性可用于開發(fā)集成傳感器、緩釋藥物裝置等智能化設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)疾病的精準(zhǔn)診斷和智能管理。

預(yù)期未來，他們相信e-GLUE技術(shù)將為跨學(xué)科研究帶來新的機(jī)遇。通過與呼吸疾病專家、泌尿科醫(yī)生、生殖醫(yī)學(xué)研究者及其他領(lǐng)域科學(xué)家的合作，他們希望能夠進(jìn)一步挖掘和發(fā)揮e-GLUE技術(shù)的潛力，并推動(dòng)其在更多醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用，最終實(shí)現(xiàn)其在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和價(jià)值最大化。

參考資料：

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

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍