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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，實時監(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，但要實現(xiàn)這一未來場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)出了一項全新技術(shù)——e-GLUE。這項突破性技術(shù)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。這種雙重機制使得e-GLUE能夠在復(fù)雜的胃腸道環(huán)境和動態(tài)的體液環(huán)境中穩(wěn)定附著，并將附著強度提升至傳統(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，延長其在胃腸道中的附著時間，最長可達(dá)30天。這種獨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，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，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期穩(wěn)定性，用于持續(xù)監(jiān)測胃腸道生理指標(biāo)，如炎癥標(biāo)志物和組織阻抗值。

這項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通過其獨特的電黏附增強的水凝膠界面，為實現(xiàn)長期、精準(zhǔn)的治療和監(jiān)測提供了強有力的技術(shù)支持，為未來的個性化醫(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，利用外加電場驅(qū)動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度。e-GLUE的黏附力還可以通過電場進(jìn)行精確調(diào)控，為更多應(yīng)用場景提供了靈活性。

這項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，他在團(tuán)隊成員的協(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)，實現(xiàn)了類似二極管的特性。這種設(shè)計巧妙地利用離子間的相互作用，顯著提升了水凝膠在濕潤界面中的附著性能?；谶@一創(chuàng)新，他和團(tuán)隊認(rèn)識到，精細(xì)的電荷交互機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，還為動態(tài)生物界面材料的設(shè)計提供了新的思路。具體而言，該材料通過電場驅(qū)動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，從而實現(xiàn)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(shè)計開辟了新的可能性。

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)一步推動黏附界面技術(shù)的普適性和實用性。

通過這項研究，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，并為動態(tài)生物環(huán)境中材料的系統(tǒng)設(shè)計提供理論依據(jù)。

審稿專家對這項研究給予了高度評價。其中一位審稿人指出：“這項研究通過巧妙利用電泳原理，在濕潤生物黏膜界面實現(xiàn)了超長時間的附著狀態(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調(diào)，這項研究不僅在理論層面上展示了材料設(shè)計的優(yōu)勢，還在體外和體內(nèi)實驗中驗證了其在止血、局部藥物遞送以及黏膜組織傳感等實際應(yīng)用場景中的潛力。

評審委員會一致認(rèn)為，e-GLUE 的電黏附機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，還可能對更廣泛的生物界面材料領(lǐng)域產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

這項技術(shù)的潛在應(yīng)用場景非常廣泛，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尤為重要。

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

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

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

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

當(dāng)時，應(yīng)斌斌在團(tuán)隊中既充滿熱情又面臨諸多挑戰(zhàn)，因為這個課題的初始實驗工作異常復(fù)雜。在通風(fēng)柜中進(jìn)行這些實驗時，總會彌漫著一股烤肉味，這是因為電流導(dǎo)致組織局部溫度過高。

由于團(tuán)隊在這一領(lǐng)域的初步成果引發(fā)了不少歡樂，同事們 jokingly referred to it as “BBQ”，生動地描述了他們“燒烤”豬組織的實驗狀態(tài)。這一玩笑不僅成為團(tuán)隊間的調(diào)侃話題，也時刻提醒著他們：這個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(jìn)行了系統(tǒng)性調(diào)整。這一過程歷時長達(dá)18個月，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言喻。

這一短暫的輕松時刻不僅為團(tuán)隊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)出真正的價值。每一個看似困難的挑戰(zhàn)背后，其實都隱藏著創(chuàng)新的機會。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)隊成員之間的默契與信任。

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

首先，他們將構(gòu)建精確的數(shù)學(xué)模型，深入研究e-GLUE黏附行為的底層機理，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(jìn)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(yán)苛的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

首先，他們計劃將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，還能實現(xiàn)更加智能化的操控，為個性化醫(yī)療提供全新的技術(shù)支持。

此外，他們還將開展大規(guī)模的長期動物實驗，重點驗證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)的臨床研究提供更加可靠的數(shù)據(jù)支持。

最后，他們計劃與消化科醫(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e-GLUE技術(shù)從實驗室走向?qū)嶋H應(yīng)用，最終為胃腸道疾病的檢測和治療帶來革命性的變革。

應(yīng)斌斌補充道，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，從而實現(xiàn)對相關(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。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)展這項技術(shù)的潛能，推動其在更多醫(yī)學(xué)和工程應(yīng)用中的創(chuàng)新性突破，最終實現(xiàn)其在多個領(lǐng)域中的廣泛轉(zhuǎn)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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