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你是否想過，未來有一天我們能吞下一顆微型"智能膠囊"，它在體內(nèi)靜默運(yùn)行，實(shí)時(shí)追蹤和調(diào)節(jié)著健康狀態(tài)，完成任務(wù)后能順利離開體內(nèi)？

這一創(chuàng)新設(shè)想雖然令人激動(dòng)，但在實(shí)現(xiàn)過程中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。其中最核心的難點(diǎn)在于：如何讓智能膠囊在胃腸道內(nèi)精準(zhǔn)停留，而不是被消化液和蠕動(dòng)驅(qū)使被動(dòng)流失？

最近，麻省理工學(xué)院的應(yīng)斌斌博士、美國國家科學(xué)院院士羅伯特·蘭格教授以及Giovanni Traverso教授攜手研發(fā)出了一項(xiàng)突破性技術(shù)——e-GLUE。這一創(chuàng)新技術(shù)成功解決了胃腸道環(huán)境中長時(shí)間穩(wěn)定附著的難題，為可編程駐留的智能膠囊提供了新的實(shí)現(xiàn)路徑。

e-GLUE的核心創(chuàng)新在于將水凝膠的柔軟特性與電黏附作用相結(jié)合，成功突破了傳統(tǒng)材料在胃腸道中長期附著的限制。水凝膠的柔軟性使其能夠貼合胃腸道復(fù)雜的幾何結(jié)構(gòu)，而電黏附作用則通過外加電場驅(qū)動(dòng)陽離子聚合物與多陰離子蛋白實(shí)現(xiàn)牢固交聯(lián)。這種雙重機(jī)制使得e-GLUE不僅能在體液環(huán)境中穩(wěn)定附著，更能應(yīng)對(duì)胃腸道蠕動(dòng)的動(dòng)態(tài)變化，且將黏附強(qiáng)度提升至傳統(tǒng)材料的30倍以上。

該研究發(fā)表在《Science Translational Medicine》雜志上，題為《電致粘附水凝膠界面延長豬胃腸道粘膜的診斷與治療》。

值得注意的是，這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的顯著優(yōu)勢在于，僅需約1分鐘的電刺激，e-GLUE即可與胃腸道深層黏膜發(fā)生交聯(lián)，維持其附著時(shí)間長達(dá)30天。這種持久的黏附性能為多種胃腸道治療和診斷提供了全新解決方案。

比如，在治療胃腸道反復(fù)出血方面，e-GLUE可作為局部止血裝置的穩(wěn)定附著基團(tuán)；在治療潰瘍性結(jié)腸炎等慢性疾病時(shí)，它可實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)緩釋；此外，它還可作為黏膜傳感器的支撐材料，持續(xù)監(jiān)測胃腸道生理指標(biāo)，如炎癥因子和組織阻抗值等。

這一創(chuàng)新性機(jī)制的應(yīng)用不僅大大提升了胃腸道治療設(shè)備的臨床效果，還為黏膜界面生物技術(shù)開辟了新的發(fā)展方向。通過增強(qiáng)的電黏附作用，e-GLUE為實(shí)現(xiàn)長效、精準(zhǔn)的治療和監(jiān)測提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，為個(gè)性化醫(yī)療帶來了深遠(yuǎn)影響。

該研究的起始點(diǎn)源于一個(gè)關(guān)鍵挑戰(zhàn)：如何在胃腸道這樣復(fù)雜且動(dòng)態(tài)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)生物材料或設(shè)備的穩(wěn)定長時(shí)間附著。由于胃腸道具有快速更新的黏液層、不斷更新的上皮細(xì)胞、持續(xù)的機(jī)械蠕動(dòng)以及化學(xué)侵蝕，傳統(tǒng)附著材料難以在體內(nèi)停留超過24小時(shí)。這一限制嚴(yán)重影響了其在藥物遞送、止血以及生理信號(hào)監(jiān)測等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用效果。

為此，研究團(tuán)隊(duì)研發(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)動(dòng)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(shí)現(xiàn)交聯(lián)。這種設(shè)計(jì)顯著提升了附著強(qiáng)度，并且通過電場的精準(zhǔn)調(diào)控，為靈活應(yīng)用提供了更多可能性。

這項(xiàng)研究的創(chuàng)意來源主要來自于應(yīng)斌斌博士在攻讀博士學(xué)位期間的科研工作。當(dāng)時(shí)，他在與合作者共同開發(fā)的新型雙層離子水凝膠研究中，通過創(chuàng)新性地采用聚陰離子與聚陽離子疊層結(jié)構(gòu)，成功模擬出二極管的電學(xué)特性。這種設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了離子間的精確調(diào)控，還顯著提升了水凝膠在濕潤生物界面中的附著性能?；谶@一經(jīng)驗(yàn)，研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，優(yōu)化電荷交互機(jī)制可能是提升水凝膠黏附性能的關(guān)鍵所在。

這一突破性研究不僅突破了傳統(tǒng)水凝膠在黏附性能上的局限，更首次揭示了電場驅(qū)動(dòng)的陽離子與多陰離子蛋白交聯(lián)作用機(jī)制。這種機(jī)制使水凝膠材料能夠從表層黏液深入至黏膜上皮組織，從而實(shí)現(xiàn)了界面結(jié)合的持久性和穩(wěn)定性。這一發(fā)現(xiàn)為動(dòng)態(tài)生物界面材料的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了全新的思路。

e-GLUE 技術(shù)框架的創(chuàng)新應(yīng)用不僅限于胃腸道領(lǐng)域，還展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。該技術(shù)可擴(kuò)展至呼吸道、泌尿系統(tǒng)等其他黏膜表面的組織界面，從而推動(dòng)黏附界面材料的普適化應(yīng)用。

通過這一研究，研究團(tuán)隊(duì)希望加速胃腸道疾病治療和診斷設(shè)備的技術(shù)革新，并為開發(fā)適應(yīng)動(dòng)態(tài)生物環(huán)境的材料設(shè)計(jì)方法提供系統(tǒng)性解決方案。

審稿專家對(duì)本研究給予了高度評(píng)價(jià)。其中一位審稿人高度贊賞道："這項(xiàng)研究通過巧妙運(yùn)用電泳原理，成功實(shí)現(xiàn)了電黏附水凝膠在濕潤生物黏膜界面的超長時(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)，這項(xiàng)研究在理論層面展示了材料設(shè)計(jì)的優(yōu)勢，在體外與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中證實(shí)了其在止血、局部藥物遞送以及黏膜組織傳感等多個(gè)應(yīng)用場景中的巨大潛力。

更為重要的是，審稿專家一致認(rèn)為，e-GLUE 所揭示的電黏附機(jī)制為黏膜界面材料的研發(fā)開辟了全新的方向。這一發(fā)現(xiàn)不僅為解決現(xiàn)有胃腸道醫(yī)療設(shè)備穩(wěn)定性不足的問題提供了新思路，還可能對(duì)更廣泛的生物界面材料研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

這項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)的潛在應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，尤其是在醫(yī)療健康領(lǐng)域具有重要的推廣價(jià)值。具體而言：

1. 局部藥物遞送系統(tǒng)：通過將 e-GLUE 與藥物載體相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)藥物直接送達(dá)胃腸道特定病灶，提供精準(zhǔn)、持久的治療效果。這種方法在治療潰瘍性結(jié)腸炎、克羅恩病等慢性胃腸道疾病中具有重要意義。

2. 胃腸道診斷設(shè)備：基于 e-GLUE 的長期黏附傳感器，可實(shí)時(shí)監(jiān)測胃腸道的 pH 值、炎癥標(biāo)志物等生理參數(shù)，為臨床提供更及時(shí)、動(dòng)態(tài)的病情信息支持。

微型機(jī)器人輔助治療：e-GLUE 的技術(shù)可以集成到微型可控制機(jī)器人上，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)同樣可以推廣到需要長時(shí)間附著的生物界面，如肺、陰道或者膀胱等，為不同醫(yī)療場景提供解決方案。

他們預(yù)測，這項(xiàng)技術(shù)將在未來 2 到 5 年內(nèi)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)，他們首次在離體豬腸胃組織上開展實(shí)驗(yàn)。面對(duì)這樣真實(shí)而復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)材料，應(yīng)斌斌既充滿熱情又面臨諸多挑戰(zhàn)。然而，早期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻讓人哭笑不得。由于當(dāng)時(shí)的水凝膠配方、電場條件以及電極設(shè)計(jì)都不夠完善，每次在通風(fēng)柜里做實(shí)驗(yàn)時(shí)，總能聞到烤肉的氣味——那是電流導(dǎo)致組織局部溫度過高的結(jié)果。

這個(gè)問題不僅讓團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，還帶來了意想不到的幽默。同事們很快為這個(gè)技術(shù)起了個(gè)綽號(hào)“BBQ”，形象地描述了他們“燒烤”豬組織的實(shí)驗(yàn)狀態(tài)。這一笑談不僅成為了團(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。

在解決這一問題的過程中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量系統(tǒng)性優(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、電場強(qiáng)度以及電極形狀等關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行了全面調(diào)整。這一過程歷時(shí)長達(dá)一年半，充滿了試驗(yàn)失敗和技術(shù)創(chuàng)新的挑戰(zhàn)。

最終，他們成功設(shè)計(jì)出一種既能有效控制溫度升高、又能保持高黏附力的方案。當(dāng)他們?cè)诨铙w豬實(shí)驗(yàn)中首次看到溫度穩(wěn)定控制在 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。

這個(gè)小插曲不僅讓團(tuán)隊(duì)在緊張的科研工作中找到了片刻輕松，也深刻讓應(yīng)斌斌體會(huì)到，科學(xué)研究的魅力正在于解決未知問題的過程。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)。通過不斷堅(jiān)持與細(xì)致打磨，他們終于迎來了突破，也在這個(gè)過程中加深了團(tuán)隊(duì)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，包括電場激勵(lì)對(duì)材料性能的動(dòng)態(tài)影響。這將幫助他們進(jìn)一步提升材料的黏附強(qiáng)度，并增強(qiáng)其在體內(nèi)極端環(huán)境中的長期穩(wěn)定性，從而為更加嚴(yán)苛的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

小編指出，e-GLUE技術(shù)將在多個(gè)領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。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，例如在設(shè)備中加入微攝像頭、微型傳感器和導(dǎo)航系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)溫度、pH值、壓力和電阻等傳感功能的集成。這些功能的整合不僅能顯著擴(kuò)展e-GLUE的應(yīng)用范圍，還能實(shí)現(xiàn)更加智能化的設(shè)備操作，為個(gè)性化醫(yī)療提供創(chuàng)新的技術(shù)支持。

此外，他們將開展大規(guī)模的長期動(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。這些研究成果將為后續(xù)的臨床研究提供更為可靠的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

同時(shí)，他們計(jì)劃與消化科專家密切合作，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。這些研究將為e-GLUE技術(shù)在臨床轉(zhuǎn)化中奠定堅(jiān)實(shí)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精準(zhǔn)檢測和治療帶來革命性變革。

應(yīng)斌斌補(bǔ)充道，e-GLUE技術(shù)不僅在胃腸道領(lǐng)域具有應(yīng)用價(jià)值，還在其他具有黏膜表面的組織中展現(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技術(shù)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)診斷和智能化管理。

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)家的深度合作，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)域的廣泛轉(zhuǎn)化與價(jià)值最大化。

參考文獻(xiàn)：

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

運(yùn)營/排版：何晨龍