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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)悄悄運行，實時追蹤健康狀況，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)院的研究團隊取得突破：應(yīng)斌斌博士、美國科學(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)境中長時間附著的難題，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)境和動態(tài)條件下，實現(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)。這種雙重機制使e-GLUE在體液環(huán)境和胃腸道蠕動中都能保持附著，附著強度是傳統(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)，附著時間長達30天。這一獨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，可實現(xiàn)藥物精準(zhǔn)緩釋；此外，它還能支持黏膜傳感器的長期穩(wěn)定性，實時監(jiān)測胃腸道生理指標(biāo)，如炎癥因子和組織阻抗值。

這一創(chuàng)新機制不僅提升了胃腸道治療設(shè)備的臨床價值，還為黏膜界面生物技術(shù)開辟了新天地。e-GLUE通過增強的水凝膠界面，為長效、精準(zhǔn)的治療和監(jiān)測提供了強有力的技術(shù)支撐，推動個性化醫(yī)療的發(fā)展。

該研究起源于一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)：如何實現(xiàn)生物材料或設(shè)備在胃腸道這樣復(fù)雜動態(tài)環(huán)境中的穩(wěn)定長時間附著。胃腸道因快速更新的黏液層和上皮細胞、持續(xù)機械蠕動以及化學(xué)侵蝕，傳統(tǒng)附著材料難以停留超過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(lǐng)域的應(yīng)用效果。

為此，研究團隊開發(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)，顯著提升了附著強度。e-GLUE的附著強度可通過電場進行精確調(diào)控，為多種應(yīng)用場景提供了靈活性。

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)計通過巧妙地將聚陰離子層和聚陽離子層交替排列，成功實現(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制，他們不僅提升了水凝膠的信號傳導(dǎo)效率，還增強了其在濕潤界面的黏附性能。這一研究經(jīng)驗啟發(fā)了應(yīng)斌斌和其團隊，促使他們進一步探索電荷交互機制在提升水凝膠黏附性能方面的潛力。

這項創(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制。通過電場驅(qū)動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，從而實現(xiàn)持久穩(wěn)定的界面結(jié)合。這一發(fā)現(xiàn)為動態(tài)生物界面材料的設(shè)計與開發(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)的擴展應(yīng)用將極大地推動黏附界面材料在醫(yī)學(xué)和生物工程領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

通過這項研究，他們希望進一步推動胃腸道治療和診斷設(shè)備的技術(shù)發(fā)展，并為動態(tài)生物環(huán)境中材料的系統(tǒng)設(shè)計提供理論支持。這一目標(biāo)的實現(xiàn)，將為臨床醫(yī)學(xué)帶來更精準(zhǔn)、更高效的治療方案。

審稿專家對這項研究給予了高度評價。其中一位審稿人高度認可了研究中對電泳原理的創(chuàng)新性應(yīng)用，認為該技術(shù)實現(xiàn)了電黏附水凝膠在濕潤生物黏膜界面的超長時間附著，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調(diào)了研究的理論與應(yīng)用雙重價值。他指出，這項研究不僅在材料設(shè)計上具有理論優(yōu)勢，更通過一系列體外和體內(nèi)的實驗驗證了其在止血、局部藥物遞送以及黏膜組織傳感等實際應(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)化價值。

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，還可能對更廣泛的生物界面材料領(lǐng)域產(chǎn)生深遠影響。

這項技術(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，可以實現(xiàn)藥物直接遞送到胃腸道特定的病灶部位，從而實現(xiàn)精準(zhǔn)、長時間的治療效果。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)用價值。

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

微型機器人輔助治療：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：這項技術(shù)不僅限于胃腸道，還可以拓展到需要長時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。

研究團隊預(yù)測，未來2至5年內(nèi)，e-GLUE技術(shù)將進入臨床試驗階段，并在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)初步商業(yè)化。

剛剛開始這個課題時，他們首次獲得離體豬腸胃組織用于實驗。面對這樣復(fù)雜且真實的實驗樣本，應(yīng)斌斌既感到興奮又充滿挑戰(zhàn)。然而，早期實驗的結(jié)果卻常常讓人忍俊不禁。由于當(dāng)時的水凝膠配方、電場條件以及電極設(shè)計尚不成熟，每次在通風(fēng)柜中操作時，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。

這個問題不僅讓團隊費盡心思解決，還意外帶來了不少歡樂和輕松感。同事們 soon 給這個技術(shù)起了個俏號“BBQ”，生動地描述了他們在實驗中“燒烤”豬組織的狀態(tài)。這個玩笑不僅成為團隊間的調(diào)侃話題，也時刻提醒著他們：這個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(xué)的南科望研究員在內(nèi)的多位同事，對水凝膠的導(dǎo)電性、電場強度以及電極形狀等關(guān)鍵參數(shù)進行了系統(tǒng)性的調(diào)整。這一過程歷時長達1年半，充滿了試驗失敗和技術(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)他們在活體豬實驗中首次實現(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，那一刻的喜悅和成就感難以用語言形容。

這個意外不僅讓團隊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)新機會。每一個看似困難的挑戰(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，也在這個過程中加深了團隊成員間的默契與信任。

接下來，他們的研究計劃將聚焦于以下方向，以進一步推動e-GLUE技術(shù)的創(chuàng)新與應(yīng)用落地：

首先，他們將構(gòu)建精細的數(shù)學(xué)模型，深入研究e-GLUE黏附行為的底層機制，包括電場激勵對材料性能的動態(tài)影響。這將有助于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(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，為個性化醫(yī)療提供強有力的技術(shù)支持。

此外，他們還將開展大規(guī)模的長期動物實驗，重點評估e-GLUE多功能設(shè)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(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)用奠定堅實基礎(chǔ)。

通過以上方向的持續(xù)努力，他們希望能夠進一步推動e-GLUE技術(shù)從實驗室向臨床應(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)斌斌補充道，作為一項前沿性的基礎(chǔ)材料技術(shù)，e-GLUE的應(yīng)用價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，從而實現(xiàn)對相關(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，他們希望能夠進一步挖掘和發(fā)揮e-GLUE技術(shù)的潛力，并推動其在更多醫(yī)學(xué)和工程領(lǐng)域的創(chuàng)新性應(yīng)用，最終實現(xiàn)其在多個領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用和價值最大化。

參考資料：

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

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