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你是否想過，有一天我們可以將一個(gè)微型智能載體巧妙地 swallowed，讓它在體內(nèi)默默工作，實(shí)時(shí)監(jiān)控我們的健康狀況，等到任務(wù)完成后再悄然離開？

雖然這一未來場(chǎng)景令人興奮，但要實(shí)現(xiàn)它仍需克服諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。其中最緊迫的問題是如何讓智能載體在胃腸道內(nèi)精準(zhǔn)停留，而非被消化液和蠕動(dòng)驅(qū)逐出去。

近期，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)取得突破，研發(fā)出了一種全新的黏附界面技術(shù)——e-GLUE。這一創(chuàng)新技術(shù)成功解決了胃腸道環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定附著的難題，為可編程駐留智能載體鋪平了道路。

e-GLUE的核心創(chuàng)新在于將水凝膠的柔韌特性和電黏附的作用機(jī)制巧妙地結(jié)合在一起。水凝膠的柔軟特性使其能夠貼合胃腸道的復(fù)雜幾何結(jié)構(gòu)，而電黏附的作用則讓其能夠與黏膜中的多陰離子蛋白形成牢固的交聯(lián)。這種雙重機(jī)制使得e-GLUE能夠在動(dòng)態(tài)的胃腸道環(huán)境中穩(wěn)定附著，并顯著提升了黏附強(qiáng)度，最高可達(dá)傳統(tǒng)材料的30倍。

該研究發(fā)表在《Science Translational Medicine》期刊上，題目為《電致粘附水凝膠界面延長(zhǎng)豬胃腸道粘膜的診斷與治療》。

這一技術(shù)的特別之處在于，僅需短短1分鐘左右的電刺激，e-GLUE就能與深層黏膜發(fā)生作用，延長(zhǎng)其附著時(shí)間，最長(zhǎng)可達(dá)30天。這種持久的黏附性能為胃腸道疾病治療和監(jiān)測(cè)提供了全新工具。

比如，在治療胃腸道反復(fù)出血時(shí)，e-GLUE可用于制作局部止血裝置；在治療潰瘍性結(jié)腸炎等慢性疾病時(shí)，它可幫助實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)緩釋；此外，它還可以用于支持黏膜傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)炎癥標(biāo)志物和組織阻抗值等生理指標(biāo)。

這一創(chuàng)新技術(shù)的成功應(yīng)用不僅提升了胃腸道治療設(shè)備的實(shí)際效果，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)的電黏附作用，e-GLUE為實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)間、精準(zhǔn)的治療和監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支撐，推動(dòng)了個(gè)性化醫(yī)療的發(fā)展。

這項(xiàng)研究的出發(fā)點(diǎn)源于一個(gè)根本性挑戰(zhàn)：如何在胃腸道這樣動(dòng)態(tài)變化的環(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、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)黏附材料難以停留超過24小時(shí)。這一限制嚴(yán)重影響了藥物遞送、止血以及生理信號(hào)監(jiān)測(cè)等應(yīng)用的效果。

為此，研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)出了e-GLUE技術(shù)。該技術(shù)在水凝膠中引入了導(dǎo)電組分，通過外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)陽離子聚合物穿透黏液層并與多陰離子蛋白交聯(lián)。這種創(chuàng)新顯著提升了黏附強(qiáng)度，同時(shí)通過電場(chǎng)的精準(zhǔn)調(diào)控，為技術(shù)的靈活應(yīng)用提供了更多可能性。

這項(xiàng)工作的創(chuàng)意來源可追溯至應(yīng)斌斌博士在攻讀博士學(xué)位期間的研究工作。當(dāng)時(shí)，他與合作者共同開發(fā)了一種創(chuàng)新性新型雙層離子水凝膠，該結(jié)構(gòu)通過層疊的陰、陽離子結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了類似二極管的電荷傳輸特性。通過精確調(diào)控離子間的相互作用，這種水凝膠不僅具備高效的信號(hào)傳導(dǎo)功能，還展現(xiàn)出卓越的功能響應(yīng)特性。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，精細(xì)的電荷交互機(jī)制是提升水凝膠在濕潤(rùn)生物界面黏附性能的關(guān)鍵。

這一研究突破性地突破了傳統(tǒng)水凝膠在生物界面黏附性能的局限性。研究揭示了一種全新的黏附機(jī)制，即通過電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的陽離子與多陰離子蛋白的交聯(lián)作用，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)界面的持久穩(wěn)定結(jié)合。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)框架不僅限于胃腸道環(huán)境，還展現(xiàn)了其在跨領(lǐng)域應(yīng)用中的巨大潛力。該技術(shù)體系可以擴(kuò)展至呼吸道、泌尿系統(tǒng)等其他黏膜表面組織的制造，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。

通過這一研究，他們致力于加速胃腸道治療和診斷設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，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)。其中一位評(píng)論家高度認(rèn)可研究的創(chuàng)新性，特別是在利用電泳原理實(shí)現(xiàn)水凝膠超長(zhǎng)時(shí)間附著方面的成果，其性能顯著優(yōu)于傳統(tǒng)胃腸道黏附材料。

另一位評(píng)論家特別強(qiáng)調(diào)，本研究在理論層面上展示了材料設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，在體外與體內(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)景中的廣闊前景。

審稿專家一致認(rèn)為，e-GLUE 的電黏附機(jī)制為黏膜界面材料的研發(fā)開辟了全新的方向，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。

本研究的潛在應(yīng)用場(chǎng)景極為廣泛，尤其是在醫(yī)療健康領(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，實(shí)現(xiàn)藥物直接遞送到胃腸道的具體病灶部位，從而實(shí)現(xiàn)藥物的長(zhǎng)時(shí)間、精準(zhǔn)治療效果。這種方法在治療潰瘍性結(jié)腸炎、克羅恩病等慢性腸道疾病中具有重要意義。

2. 胃腸道診斷設(shè)備：開發(fā)基于 e-GLUE 的長(zhǎng)期黏附傳感器，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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)生提供更全面、動(dòng)態(tài)的病情信息支持。

3. 微型機(jī)器人輔助治療：e-GLUE技術(shù)能夠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。

4. 非胃腸道應(yīng)用：這項(xiàng)技術(shù)不僅限于胃腸道，還可以推廣到需要長(zhǎng)時(shí)間附著的其他生物界面，如肺、陰道或膀胱等，從而滿足不同醫(yī)療場(chǎng)景的需求。

他們預(yù)測(cè)，這項(xiàng)技術(shù)將在未來2到5年內(nèi)進(jìn)入臨床試驗(yàn)，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)，他們首先使用離體豬腸胃組織進(jìn)行實(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，也面臨著巨大的挑戰(zhàn)。然而，早期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻常常令人哭笑不得。由于當(dāng)時(shí)的水凝膠配方、電場(chǎng)條件以及電極設(shè)計(jì)都還不夠完善，每次在通風(fēng)柜中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，總能聞到一股烤肉的異味——這是電流導(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)在實(shí)驗(yàn)過程中倍感壓力，還帶來了一些意想不到的幽默。同事們 quickly給這項(xiàng)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)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。包括本課題的重要合作者南科望研究員在內(nèi)的團(tuán)隊(duì)成員，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)調(diào)整。這一過程耗時(shí)長(zhǎng)達(dá)1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)中首次實(shí)現(xiàn)溫度穩(wěn)定維持在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。

這個(gè)小插曲不僅讓團(tuán)隊(duì)在科研工作中找到了一些輕松的時(shí)刻，也深刻地讓他們體會(huì)到，科學(xué)研究的魅力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)都蘊(yùn)藏著創(chuàng)新的機(jī)會(huì)。通過不斷堅(jiān)持與細(xì)致打磨，他們最終迎來了突破，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)劃將主要聚焦于以下幾個(gè)方向，以進(jìn)一步推動(dòng)e-GLUE技術(shù)的創(chuàng)新和應(yīng)用落地：

首先，他們計(jì)劃構(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(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)其在體內(nèi)極端環(huán)境中的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從而為更加嚴(yán)苛的臨床應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。

除了在智能設(shè)備中加入微型攝像頭和導(dǎo)航系統(tǒng)外，他們還致力于將e-GLUE技術(shù)整合到設(shè)備的傳感網(wǎng)絡(luò)中，使其具備溫度、pH值、壓力和電阻等多維度傳感功能。這種技術(shù)整合不僅能夠擴(kuò)大e-GLUE的應(yīng)用領(lǐng)域，還能實(shí)現(xiàn)設(shè)備操作的更加自動(dòng)化，為個(gè)性化醫(yī)療提供創(chuàng)新的技術(shù)支持。

在開展基礎(chǔ)研究的同時(shí)，他們還將進(jìn)行具有里程碑意義的長(zhǎng)期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)評(píng)估e-GLUE多功能設(shè)備在真實(shí)胃腸道環(huán)境中的安全性和穩(wěn)定性表現(xiàn)。這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果將為后續(xù)的臨床研究工作提供可靠的數(shù)據(jù)支撐。

為了探索e-GLUE技術(shù)在臨床醫(yī)學(xué)中的潛力，他們計(jì)劃與消化科醫(yī)生緊密合作，開展小規(guī)模的臨床前研究。研究?jī)?nèi)容將涵蓋胃蠕動(dòng)減慢、慢性腸胃道出血以及炎癥性腸病等多種疾病，重點(diǎn)考察e-GLUE技術(shù)在疾病診斷和治療中的應(yīng)用前景。這些研究將為e-GLUE技術(shù)在實(shí)際醫(yī)療中的轉(zhuǎn)化奠定重要基礎(chǔ)。

通過上述各項(xiàng)研究計(jì)劃的持續(xù)推進(jìn)，他們希望能夠進(jìn)一步推動(dòng)e-GLUE技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室研究走向?qū)嶋H應(yīng)用，最終為胃腸道疾病的精準(zhǔn)檢測(cè)和治療開辟革命性的新途徑。

應(yīng)斌斌補(bǔ)充道，e-GLUE技術(shù)作為一種具有前沿性基礎(chǔ)材料技術(shù)，其應(yīng)用價(jià)值遠(yuǎn)超胃腸道領(lǐng)域。在呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)以及生殖系統(tǒng)等具有黏膜表面組織的領(lǐng)域，e-GLUE技術(shù)同樣展現(xiàn)出巨大的潛力。例如，在呼吸系統(tǒng)設(shè)備中，可以利用e-GLUE技術(shù)開發(fā)集成傳感器和藥物緩釋裝置，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)疾病的精準(zhǔn)診斷和智能管理。

對(duì)于未來的發(fā)展，他們充滿信心地認(rèn)為，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)家的緊密合作，他們相信能夠進(jìn)一步挖掘e-GLUE技術(shù)的無限潛力，推動(dòng)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(shí)現(xiàn)其在多個(gè)領(lǐng)域的廣泛轉(zhuǎn)化和價(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