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你是否曾想過，未來有一天，我們可能吞下一顆微型“智能膠囊”，在體內(nèi)潛移默化地工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)健康狀況，完成任務(wù)后悄然退出？

雖然令人期待，但要實(shí)現(xiàn)這一未來場(chǎng)景仍需克服諸多挑戰(zhàn)。其中最關(guān)鍵的是，如何讓智能膠囊在胃腸道內(nèi)穩(wěn)定附著，而不是被動(dòng)地被消化系統(tǒng)排出？

近日，美國麻省理工學(xué)院應(yīng)斌斌博士與美國科學(xué)院院士羅伯特·蘭格教授以及Got定·特拉斯托教授攜手研發(fā)出了一項(xiàng)全新技術(shù)——e-GLUE。這項(xiàng)突破性技術(shù)成功解決了胃腸道環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定附著的難題，為可編程駐留的智能膠囊開辟了新的可能性。

e-GLUE的核心創(chuàng)新在于，它巧妙地結(jié)合了水凝膠的柔軟特性與電黏附的高效界面作用力。這種雙重機(jī)制使得e-GLUE能夠在復(fù)雜的胃腸道環(huán)境和動(dòng)態(tài)的體液環(huán)境中穩(wěn)定附著，并將附著強(qiáng)度提升至傳統(tǒng)材料的30倍。

相關(guān)研究論文已發(fā)表于Science Translational Medicine期刊上，題為《電致粘附水凝膠界面延長(zhǎng)豬胃腸道粘膜的診斷與治療》（An electroadhesive hydrogel interface prolongs porcine gastrointestinal mucosal theranostics）。

特別值得一提的是，e-GLUE只需短短約1分鐘的電刺激，即可與深層黏膜發(fā)生交互作用，延長(zhǎng)其在胃腸道中的附著時(shí)間，最長(zhǎng)可達(dá)30天。這種獨(dú)特而持久的附著性能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(fù)性出血時(shí)，e-GLUE可以用于局部止血裝置的穩(wěn)定附著；在治療潰瘍性結(jié)腸炎等慢性疾病時(shí)，它能夠?qū)崿F(xiàn)藥物的精準(zhǔn)緩釋；此外，它還可以支持黏膜傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，用于持續(xù)監(jiān)測(cè)胃腸道生理指標(biāo)，如炎癥標(biāo)志物和組織阻抗值。

這項(xiàng)研究的突破不僅顯著提升了胃腸道治療設(shè)備的臨床應(yīng)用價(jià)值，還為生物材料界面技術(shù)開辟了新的研究方向。e-GLUE通過其獨(dú)特的電黏附增強(qiáng)的水凝膠界面，為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期、精準(zhǔn)的治療和監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，為未來的個(gè)性化醫(yī)療和精準(zhǔn)治療帶來了深遠(yuǎn)的影響。

為了解決這一難題，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了e-GLUE。這一技術(shù)在水凝膠中引入了電導(dǎo)成分，利用外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)陽離子聚合物穿透黏液層，與深層黏膜中的多陰離子蛋白發(fā)生牢固的交聯(lián)，從而顯著提升了黏附強(qiáng)度。e-GLUE的黏附力還可以通過電場(chǎng)進(jìn)行精確調(diào)控，為更多應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活性。

這項(xiàng)研究不僅解決了胃腸道復(fù)雜環(huán)境中的穩(wěn)定黏附難題，還為開發(fā)更高效、更精準(zhǔn)的生物材料和醫(yī)療設(shè)備提供了重要參考。e-GLUE技術(shù)的成功應(yīng)用，不僅推動(dòng)了胃腸道治療的進(jìn)步，還為黏膜界面生物技術(shù)的發(fā)展開辟了新的可能性。

這項(xiàng)工作的靈感來源于應(yīng)斌斌博士在攻讀博士學(xué)位期間的研究工作。當(dāng)時(shí)，他在團(tuán)隊(duì)成員的協(xié)作下，開發(fā)了一種新型雙層離子水凝膠，這種材料通過聚陰離子和聚陽離子的層狀結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了類似二極管的特性。這種設(shè)計(jì)巧妙地利用離子間的相互作用，顯著提升了水凝膠在濕潤(rùn)界面中的附著性能?；谶@一創(chuàng)新，他和團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，精細(xì)的電荷交互機(jī)制同樣可用于改善水凝膠在生物黏膜表面的附著性能。

這一創(chuàng)新不僅成功克服了傳統(tǒng)水凝膠在黏附性方面的局限性，還為動(dòng)態(tài)生物界面材料的設(shè)計(jì)提供了新的思路。具體而言，該材料通過電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的陽離子與多陰離子蛋白的交聯(lián)作用，能夠從表層黏液深入到黏膜上皮組織，從而實(shí)現(xiàn)一種持久穩(wěn)定的附著狀態(tài)。這一發(fā)現(xiàn)為動(dòng)態(tài)生物界面材料的設(shè)計(jì)開辟了新的可能性。

e-GLUE 技術(shù)框架的應(yīng)用不僅局限于胃腸道領(lǐng)域，還展現(xiàn)了其在其他生物界面中的潛力。例如，它可以在呼吸道、泌尿系統(tǒng)等其他黏膜表面的組織上得到應(yīng)用，從而進(jìn)一步推動(dòng)黏附界面技術(shù)的普適性和實(shí)用性。

通過這項(xiàng)研究，他們希望為胃腸道治療和診斷設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步提供助力，并為動(dòng)態(tài)生物環(huán)境中材料的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

審稿專家對(duì)這項(xiàng)研究給予了高度評(píng)價(jià)。其中一位審稿人指出：“這項(xiàng)研究通過巧妙利用電泳原理，在濕潤(rùn)生物黏膜界面實(shí)現(xiàn)了超長(zhǎng)時(shí)間的附著狀態(tài)，顯著超過了傳統(tǒng)胃腸道黏附材料的性能。”

另一位審稿人特別強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究不僅在理論層面上展示了材料設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，還在體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中驗(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)用場(chǎng)景中的潛力。

評(píng)審委員會(huì)一致認(rèn)為，e-GLUE 的電黏附機(jī)制為黏膜界面材料的研發(fā)開辟了新的方向，不僅有助于解決現(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)用場(chǎng)景非常廣泛，特別是在醫(yī)療領(lǐng)域。具體來說：

1. 局部藥物遞送：通過將 e-GLUE 與藥物載體相結(jié)合，可將藥物直接遞送到胃腸道的具體病灶部位，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、持久的治療效果。這在治療潰瘍性結(jié)腸炎、克羅恩病等慢性病時(shí)尤為重要。

2. 胃腸道診斷設(shè)備：基于 e-GLUE 的長(zhǎng)期黏附傳感器可用于監(jiān)測(cè)胃腸道的 pH 值、炎癥標(biāo)志物或其他生理指標(biāo)，從而為醫(yī)生提供實(shí)時(shí)、動(dòng)態(tài)的病情信息。

微型機(jī)器人輔助治療：e-GLUE技術(shù)可以集成到可控的微型機(jī)器人中，用于胃腸道內(nèi)的精準(zhǔn)定位和治療。

非胃腸道應(yīng)用：這項(xiàng)技術(shù)同樣可以推廣到其他需要長(zhǎng)時(shí)間附著的生物界面，例如肺部、陰道或膀胱，從而為不同醫(yī)療場(chǎng)景提供解決方案。

他們預(yù)測(cè)，這項(xiàng)技術(shù)將在未來兩年內(nèi)進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，甚至在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)初步商業(yè)化。

當(dāng)時(shí)，應(yīng)斌斌在團(tuán)隊(duì)中既充滿熱情又面臨諸多挑戰(zhàn)，因?yàn)檫@個(gè)課題的初始實(shí)驗(yàn)工作異常復(fù)雜。在通風(fēng)柜中進(jìn)行這些實(shí)驗(yàn)時(shí)，總會(huì)彌漫著一股烤肉味，這是因?yàn)殡娏鲗?dǎo)致組織局部溫度過高。

由于團(tuán)隊(duì)在這一領(lǐng)域的初步成果引發(fā)了不少歡樂，同事們 jokingly referred to it as “BBQ”，生動(dòng)地描述了他們“燒烤”豬組織的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。這一玩笑不僅成為團(tuán)隊(duì)間的調(diào)侃話題，也時(shí)刻提醒著他們：這個(gè)溫升問題必須盡快解決。

在解決溫度升高等問題的過程中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量細(xì)致的優(yōu)化工作。本課題的重要合作者、現(xiàn)已入職浙江大學(xué)的南科望研究員等科研人員對(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)性調(diào)整。這一過程歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)18個(gè)月，充滿了失敗嘗試和技術(shù)迭代的挑戰(zhàn)。

最終，他們成功設(shè)計(jì)出一種既能有效抑制溫度升高、又能維持高黏附性的方案。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言喻。

這一短暫的輕松時(shí)刻不僅為團(tuán)隊(duì)在緊張的科研工作中帶來了片刻的愉悅，也讓應(yīng)斌斌深刻體會(huì)到科學(xué)研究的魅力所在——它正是在不斷解決未知問題的過程中展現(xiàn)出真正的價(jià)值。每一個(gè)看似困難的挑戰(zhàn)背后，其實(shí)都隱藏著創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。通過持續(xù)的努力和精益求精，他們最終迎來了突破，也在這一過程中加深了團(tuán)隊(duì)成員之間的默契與信任。

為了進(jìn)一步推動(dòng)e-GLUE技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用落地，他們的研究計(jì)劃將重點(diǎn)聚焦于以下幾個(gè)方向：

首先，他們將構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)模型，深入研究e-GLUE黏附行為的底層機(jī)理，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)。

首先，他們計(jì)劃將e-GLUE技術(shù)整合到新一代智能設(shè)備中，如在設(shè)備中加入微型攝像頭和導(dǎo)航功能，使其能夠感知溫度、pH值、壓力和電阻等信息。這些功能的整合不僅能夠大幅擴(kuò)展e-GLUE的應(yīng)用領(lǐng)域，還能實(shí)現(xiàn)更加智能化的操控，為個(gè)性化醫(yī)療提供全新的技術(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)驗(yàn)證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)的臨床研究提供更加可靠的數(shù)據(jù)支持。

最后，他們計(jì)劃與消化科醫(yī)生密切合作，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。這些嘗試將為最終的臨床轉(zhuǎn)化奠定重要基礎(chǔ)。

通過這些方向的持續(xù)努力，他們希望進(jìn)一步推動(dòng)e-GLUE技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向?qū)嶋H應(yīng)用，最終為胃腸道疾病的檢測(cè)和治療帶來革命性的變革。

應(yīng)斌斌補(bǔ)充道，e-GLUE作為一種前沿性的基礎(chǔ)材料技術(shù)，其應(yīng)用價(jià)值不僅限于胃腸道領(lǐng)域。它在其他具有黏膜表面的組織中同樣展現(xiàn)出巨大的潛力。例如，在呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)以及生殖系統(tǒng)中，e-GLUE的卓越黏附能力可用于開發(fā)集成傳感器、藥物緩釋設(shè)備等智能化工具，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)疾病的精準(zhǔn)診斷與智能化管理。

展望未來，他們相信e-GLUE技術(shù)將為跨學(xué)科研究帶來新的契機(jī)。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)域的科學(xué)家合作，他們希望進(jìn)一步挖掘和擴(kuò)展這項(xiàng)技術(shù)的潛能，推動(dòng)其在更多醫(yī)學(xué)和工程應(yīng)用中的創(chuàng)新性突破，最終實(shí)現(xiàn)其在多個(gè)領(lǐng)域中的廣泛轉(zhuǎn)化與價(jià)值最大化。

參考資料：

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

運(yùn)營/排版：何晨龍