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你是否想過，未來某一天，我們可以通過服用一顆微型智能載體，讓它在體內(nèi)默默工作，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和管理我們的健康狀況，完成任務(wù)后悄然退出？

雖然這一未來場(chǎng)景令人興奮，但要實(shí)現(xiàn)它仍面臨諸多挑戰(zhàn)。其中最關(guān)鍵的難點(diǎn)在于：如何讓智能載體在胃腸道內(nèi)精準(zhǔn)滯留，避免被消化液沖刷排出？

近日，麻省理工學(xué)院的應(yīng)斌斌博士、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士羅伯特·蘭格教授以及Giovanni Traverso教授研發(fā)出了一種全新界面技術(shù)——e-GLUE。這一突破性技術(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，為可編程滯留的智能載體鋪平了道路。

e-GLUE的核心創(chuàng)新在于將水凝膠材料的柔軟特性與電黏附的高效界面作用力相結(jié)合，成功克服了胃腸道復(fù)雜環(huán)境中的長(zhǎng)期附著難題。水凝膠材料的柔軟特性使其能夠貼合胃腸道復(fù)雜的幾何形態(tài)，而電黏附技術(shù)則通過外加電場(chǎng)激活陽離子聚合物，使其與黏膜中的多陰離子蛋白產(chǎn)生牢固的交聯(lián)。這種雙重機(jī)制使e-GLUE在動(dòng)態(tài)的體液環(huán)境和胃腸道蠕動(dòng)中都能穩(wěn)固附著，并將黏附強(qiáng)度提升了30倍以上。

該研究論文以《電致粘附水凝膠界面延長(zhǎng)豬胃腸道粘膜的診斷與治療》為題，在Science Translational Medicine期刊上正式發(fā)表。

值得一提的是，通過短短約1分鐘的電刺激，e-GLUE技術(shù)可使智能載體與深層黏膜發(fā)生交聯(lián)作用，使附著時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30天。這一獨(dú)特的能力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可被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)，它可實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)緩釋；此外，它還可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)志物和組織阻抗值等。

這一創(chuàng)新性機(jī)制的應(yīng)用不僅顯著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)開辟了新的研究方向。通過增強(qiáng)的電黏附界面，e-GLUE為實(shí)現(xiàn)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，為個(gè)性化醫(yī)療帶來了深遠(yuǎn)影響。

該研究的起點(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(zhǎng)時(shí)間附著。由于胃腸道具有快速更新的黏液層、上皮細(xì)胞、持續(xù)的機(jī)械蠕動(dòng)和化學(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)域的實(shí)際應(yīng)用效果。

為此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了e-GLUE技術(shù)。這一技術(shù)在水凝膠材料中引入了導(dǎo)電組分，利用外加電場(chǎng)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)。這種機(jī)制顯著提升了附著強(qiáng)度，并且可以通過電場(chǎng)的精準(zhǔn)調(diào)控實(shí)現(xiàn)靈活應(yīng)用，為更多應(yīng)用場(chǎng)景提供了可能性。

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)，他與合作者開發(fā)了一種新型雙層離子水凝膠，通過巧妙設(shè)計(jì)的陰離子和陽離子層疊結(jié)構(gòu)，模擬了二極管的物理特性。這種創(chuàng)新性設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)離子間相互作用的精確調(diào)控，從而顯著提升了水凝膠在濕潤(rùn)界面的附著性能。

這一突破性成果不僅突破了傳統(tǒng)水凝膠在附著性能上的局限性，更揭示了一種全新的附著機(jī)理：電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)下，陽離子與多陰離子蛋白之間實(shí)現(xiàn)了交聯(lián)固定，使得水凝膠材料能夠從表層黏液深入至黏膜上皮細(xì)胞，從而實(shí)現(xiàn)了一種持久穩(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)與開發(fā)提供了全新的思路。

e-GLUE 技術(shù)框架的應(yīng)用不僅限于胃腸道領(lǐng)域，還展現(xiàn)了其在跨學(xué)科研究中的廣闊前景。該技術(shù)可以擴(kuò)展至呼吸道、泌尿系統(tǒng)等其他黏膜表面組織的研究，從而進(jìn)一步推動(dòng)黏附界面技術(shù)的普適化與廣泛應(yīng)用。

通過這項(xiàng)研究，我們希望能夠加速胃腸道治療設(shè)備和診斷工具的技術(shù)發(fā)展，并為動(dòng)態(tài)生物環(huán)境中材料的系統(tǒng)性設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

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這項(xiàng)研究在創(chuàng)新性、應(yīng)用潛力和實(shí)際效果方面的卓越表現(xiàn)，特別是其在實(shí)現(xiàn)超長(zhǎng)時(shí)間附著方面所取得的突破性成果。

另一位審稿人特別強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究不僅在理論上展示了電黏附水凝膠的材料設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)，還通過一系列體外和體內(nèi)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了其在止血、局部藥物遞送、黏膜組織傳感等多個(gè)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的有效性。

更為重要的是，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發(fā)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研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

本研究的技術(shù)應(yīng)用前景非常廣闊，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域。具體而言：

1. 局部藥物遞送：通過將 e-GLUE 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病灶部位，從而實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)、持續(xù)的治療效果。這對(duì)于治療潰瘍性結(jié)腸炎、克羅恩病等慢性病具有重要意義。

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

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

4. 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、陰道或膀胱，從而解決不同場(chǎng)景下的醫(yī)療需求。

他們預(yù)測(cè)，在未來2到5年內(nèi)，這項(xiàng)技術(shù)將進(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。

剛剛加入這個(gè)課題時(shí)，他們首次使用離體豬腸胃組織進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。面對(duì)這一真實(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)結(jié)果卻讓人哭笑不得。由于當(dāng)時(shí)的水凝膠配方、電場(chǎng)條件和電極設(shè)計(jì)還不夠完善，每次在通風(fēng)柜中操作時(shí)，總有烤肉的焦味飄散——那是電流導(dǎo)致組織局部溫度過高的結(jié)果。

這一問題不僅讓團(tuán)隊(duì)費(fèi)盡心思，也帶來了意想不到的幽默。同事們 quickly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)。這一玩笑話不僅成為團(tuán)隊(duì)間的調(diào)侃，也時(shí)刻提醒他們：溫度控制問題必須盡快解決。

在攻克這一問題的過程中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量細(xì)致的優(yōu)化工作。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)的團(tuán)隊(duì)，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)優(yōu)化。這一過程歷時(shí)長(zhǎng)達(dá)一年半，充滿了試驗(yàn)失敗和技術(shù)迭代的挑戰(zhàn)。

最終，他們成功設(shè)計(jì)出一種既能有效控制溫度升至43攝氏度以下，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，并且材料穩(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“小插曲”不僅為團(tuán)隊(duì)在緊張的科研工作中帶來了片刻的輕松，也讓應(yīng)斌斌深刻體會(huì)到，科學(xué)研究的魅力在于不斷解決未知問題的過程中。每一個(gè)看似困難的挑戰(zhàn)背后，都蘊(yùn)藏著創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。通過堅(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)劃將著重圍繞以下幾個(gè)方向展開，以進(jìn)一步推動(dòng)e-GLUE技術(shù)的創(chuàng)新與落地應(yīng)用：

首先，構(gòu)建精細(xì)的數(shù)學(xué)模型，深入探究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。這將幫助他們進(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，他們計(jì)劃將e-GLUE技術(shù)整合到下一代智能設(shè)備中，例如在設(shè)備中加入微型攝像頭和導(dǎo)航系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)溫度、pH值、壓力和電阻等傳感功能。這些功能的集成不僅能夠大幅拓展e-GLUE的應(yīng)用范圍，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。

特別指出，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)生深入合作，共同探索e-GLUE技術(shù)在多種慢性胃腸道疾病中的潛在應(yīng)用，包括胃蠕動(dòng)緩慢、慢性腸胃道出血以及炎癥性腸病的診斷和治療。這些研究將為最終的臨床轉(zhuǎn)化奠定重要基礎(chǔ)。

通過這些持續(xù)的努力，他們希望進(jìn)一步推動(dòng)e-GLUE技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向臨床應(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，作為一項(xiàng)具有前沿性的基礎(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面組織的系統(tǒng)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)和生殖系統(tǒng)中，e-GLUE的卓越黏附性能被用于開發(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)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，他們希望進(jìn)一步挖掘和擴(kuò)展這一技術(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。

參考資料：

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

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍