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你是否曾想過(guò)，未來(lái)某一天，我們能將一個(gè)微型"智能膠囊"吞下，讓它在體內(nèi)默默工作？這個(gè)智能膠囊不僅能實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)節(jié)你的健康狀態(tài)，還能完成一系列復(fù)雜的任務(wù)，直至完成使命后悄然離去。

這一未來(lái)場(chǎng)景雖然充滿魅力，但其實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻面臨諸多挑戰(zhàn)。其中，最關(guān)鍵的問(wèn)題在于如何讓智能膠囊在胃腸道內(nèi)精準(zhǔn)停留，避免被消化系統(tǒng)被動(dòng)排出。

近日，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)取得突破性進(jìn)展。他們研發(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(zhǎng)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)新在于結(jié)合了水凝膠的柔韌性和電黏附的高效界面作用力。水凝膠的柔軟特性使其能夠貼合胃腸道復(fù)雜的幾何形狀，而電黏附通過(guò)外加電場(chǎng)激活陽(yáng)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)制讓e-GLUE能夠在體液浸潤(rùn)和胃腸道蠕動(dòng)的動(dòng)態(tài)環(huán)境中穩(wěn)固附著，其黏附能力最高可達(dá)傳統(tǒng)材料的30倍。

這項(xiàng)研究發(fā)表在《Science Translational Medicine》雜志上，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》。

特別值得一提的是，e-GLUE通過(guò)約1分鐘的電刺激即可與深層黏膜上皮發(fā)生交互作用，延長(zhǎng)其附著時(shí)間，最長(zhǎng)可達(dá)30天。這種獨(dú)特的能力為胃腸道治療和診斷提供了全新可能性。

例如，e-GLUE可用于局部止血裝置的穩(wěn)定附著，為潰瘍性結(jié)腸炎等慢性病的治療提供精準(zhǔn)的藥物緩釋?zhuān)瑫r(shí)支持黏膜傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，用于連續(xù)監(jiān)測(cè)胃腸道生理數(shù)據(jù)，如炎癥標(biāo)志物和組織阻抗值等。

這一創(chuàng)新性機(jī)制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(kāi)辟了新的方向。通過(guò)增強(qiáng)的電黏附作用，e-GLUE為長(zhǎng)效、精準(zhǔn)的治療和監(jiān)測(cè)提供了強(qiáng)有力的技術(shù)支持，為未來(lái)的個(gè)性化醫(yī)療帶來(lái)了深遠(yuǎn)影響。

這項(xiàng)研究的起點(diǎn)源于對(duì)胃腸道復(fù)雜環(huán)境的深刻理解。胃腸道不僅因快速更新的黏液層、上皮細(xì)胞的動(dòng)態(tài)更新以及胃液的化學(xué)侵蝕而具有挑戰(zhàn)性，還因持續(xù)的機(jī)械蠕動(dòng)而難以讓生物材料或設(shè)備實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定長(zhǎng)時(shí)間附著。這一局限性直接影響了其在藥物遞送、止血以及生理信號(hào)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用效果。

為了解決這一難題，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)研發(fā)出e-GLUE。這一技術(shù)在水凝膠中嵌入了導(dǎo)電組分，利用外加電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)陽(yáng)離子聚合物穿透黏液層并與多陰離子蛋白交聯(lián)，從而顯著提升了黏附強(qiáng)度。e-GLUE的黏附力還可通過(guò)電場(chǎng)進(jìn)行精準(zhǔn)調(diào)控，為更多應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活性。

應(yīng)斌斌在博士階段的研究靈感來(lái)源于他與合作者開(kāi)發(fā)了一種新型雙層離子水凝膠系統(tǒng)。這種創(chuàng)新性設(shè)計(jì)通過(guò)巧妙的聚陰離子與聚陽(yáng)離子層疊結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了類(lèi)似二極管的電荷傳遞功能。通過(guò)精確調(diào)控離子間的相互作用，該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高效的信號(hào)傳導(dǎo)和功能響應(yīng)。結(jié)合這一經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)斌斌及其團(tuán)隊(duì)認(rèn)識(shí)到，優(yōu)化電荷交互機(jī)制是提升水凝膠在濕潤(rùn)生物界面附著性能的關(guān)鍵。

該研究不僅突破了傳統(tǒng)水凝膠在生物界面附著的局限性，還揭示了一種全新的黏附機(jī)制。通過(guò)電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的陽(yáng)離子與多陰離子蛋白的交聯(lián)作用，這種材料能夠從表層黏液深入至黏膜上皮組織，從而實(shí)現(xiàn)附著過(guò)程中的持久穩(wěn)定。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)用提供了全新思路。

e-GLUE 技術(shù)框架展示了廣泛的跨領(lǐng)域應(yīng)用潛力，不僅限于胃腸道系統(tǒng)，還適用于呼吸道、泌尿系統(tǒng)等其他黏膜表面的組織設(shè)計(jì)。這一創(chuàng)新性技術(shù)的推廣將有助于推動(dòng)黏附界面材料的普適化與廣泛應(yīng)用。

該研究團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是加速胃腸道治療設(shè)備和技術(shù)的進(jìn)步，同時(shí)為動(dòng)態(tài)生物環(huán)境中材料的系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供理論與實(shí)踐指導(dǎo)。

審稿專(zhuān)家對(duì)該研究給予了高度評(píng)價(jià)。其中一位專(zhuān)家稱(chēng)贊道，這項(xiàng)研究通過(guò)創(chuàng)新性地運(yùn)用電泳原理，實(shí)現(xiàn)了電黏附水凝膠在濕潤(rùn)生物黏膜界面上的超長(zhǎng)時(shí)間附著，顯著優(yōu)于傳統(tǒng)的胃腸道黏附材料。

另一位審稿專(zhuān)家特別指出，這項(xiàng)研究在理論上展示了材料設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，并通過(guò)一系列體外與體內(nèi)實(shí)驗(yàn)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。

該研究的另一個(gè)重要貢獻(xiàn)是，審稿專(zhuān)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(kāi)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(wèn)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。

該技術(shù)的潛在應(yīng)用場(chǎng)景非常廣泛，尤其是在醫(yī)療領(lǐng)域，具體包括以下兩個(gè)方面：

1. 局部藥物遞送系統(tǒng)：通過(guò)將 e-GLUE 與藥物載體相結(jié)合，可在胃腸道特定病灶部位實(shí)現(xiàn)藥物的長(zhǎng)時(shí)間、精準(zhǔn)遞送，這對(duì)治療潰瘍性結(jié)腸炎、克羅恩病等慢性疾病具有重要意義。

2. 胃腸道診斷設(shè)備：基于 e-GLUE 的長(zhǎng)期黏附傳感器可用于監(jiān)測(cè)胃腸道的pH值、炎癥標(biāo)志物等生理參數(shù)，為臨床提供實(shí)時(shí)、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)可被集成到可控微機(jī)器人中，用于胃腸道內(nèi)的精準(zhǔn)定位與治療。

4. 非胃腸道應(yīng)用領(lǐng)域：該技術(shù)同樣具備擴(kuò)展性，可應(yīng)用于需要長(zhǎng)期附著的生物界面，如肺部、陰道或膀胱等，從而為不同醫(yī)療場(chǎng)景提供解決方案。

他們預(yù)測(cè)，在未來(lái) 2 到 5 年內(nèi)，該技術(shù)將進(jìn)入臨床試驗(yàn)階段，甚至可初步實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用。

剛起步時(shí)，他們借助離體豬腸胃組織進(jìn)行了首次實(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，這是因?yàn)楫?dāng)時(shí)的水凝膠配方、電場(chǎng)條件以及電極設(shè)計(jì)尚不完善，每次實(shí)驗(yàn)時(shí)總能聞到烤肉般的異味——這是電流導(dǎo)致組織局部溫度過(guò)高所致。

這一問(wèn)題不僅讓團(tuán)隊(duì)費(fèi)盡心思，還帶來(lái)了一些意外的幽默。同事們 quickly給這一技術(shù)起了“BBQ”這個(gè)綽號(hào)，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)侃話題，也時(shí)刻提醒著他們：必須盡快解決溫度升高的問(wèn)題。

在攻克這一難題的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的優(yōu)化工作。包括本課題的重要合作者、現(xiàn)已成為浙江大學(xué)教授的南科望研究員在內(nèi)的多位學(xué)者，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)性的調(diào)整與優(yōu)化。這一過(guò)程歷時(shí)近一年半，充滿了試驗(yàn)失敗與技術(shù)迭代的挑戰(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創(chuàng)新方案。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)，那一刻的喜悅與成就感難以用語(yǔ)言形容。

這一插曲不僅讓團(tuán)隊(duì)在緊張的科研工作中找到了片刻的輕松，也深刻地讓?xiě)?yīng)斌斌體會(huì)到，科學(xué)研究的魅力就在于不斷解決未知問(wèn)題所帶來(lái)的成就感。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)。正是通過(guò)不斷堅(jiān)持與細(xì)致打磨，他們最終迎來(lái)了突破，也在這一過(guò)程中加深了團(tuán)隊(duì)成員間的默契與信任。

接下來(lái)，他們的研究計(jì)劃將繼續(xù)聚焦于以下幾個(gè)關(guān)鍵方向，以進(jìn)一步推動(dòng) e-GLUE 技術(shù)的創(chuàng)新與發(fā)展：

首先，他們將構(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。這將有助于他們進(jìn)一步提升材料的黏附強(qiáng)度，并增強(qiáng)其在極端環(huán)境下的長(zhǎng)期穩(wěn)定性，從而為更為嚴(yán)苛的臨床應(yīng)用打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

其次，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)備中加入微型攝像頭、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大幅擴(kuò)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。

再次，他們將重點(diǎn)開(kāi)展更大規(guī)模的長(zhǎng)期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，以驗(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)生緊密合作，開(kāi)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，包括診斷和治療。這些研究將為最終的臨床轉(zhuǎn)化奠定重要基礎(chǔ)。

通過(guò)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檢測(cè)和治療帶來(lái)革命性的變革。

應(yīng)斌斌補(bǔ)充稱(chēng)，e-GLUE作為一項(xiàng)具有前沿性的基礎(chǔ)材料技術(shù)，其應(yīng)用價(jià)值遠(yuǎn)不止于胃腸道領(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的卓越黏附能力可用于開(kāi)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)診斷與智能化管理。

展望未來(lái)，他們相信e-GLUE技術(shù)將為跨學(xué)科研究帶來(lái)新的契機(jī)。通過(guò)與呼吸系統(tǒng)疾病專(zhuān)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(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)域中的廣泛轉(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