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小編要跟大家聊一個(gè)未來(lái)科技的概念——智能膠囊。你是否想過(guò)，有一天我們可以服用一顆微型智能藥囊，它能在體內(nèi)悄悄運(yùn)行，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)我們的健康狀況？完成任務(wù)后，它會(huì)悄然離去，不留痕跡。

不過(guò)，這一場(chǎng)景雖然充滿吸引力，但要讓它真正成為現(xiàn)實(shí)，仍有許多技術(shù)挑戰(zhàn)需要克服。其中最關(guān)鍵的一點(diǎn)是：如何讓智能藥囊在胃腸道內(nèi)精準(zhǔn)停留，而不是被消化液沖走？

近日，麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)取得了一項(xiàng)突破性進(jìn)展。他們研發(fā)出了一種全新的黏附界面技術(shù)——e-GLUE。這一技術(shù)解決了胃腸道環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定附著的難題，為智能膠囊的精準(zhǔn)停留鋪平了道路。

e-GLUE的核心創(chuàng)新在于巧妙結(jié)合了水凝膠的柔軟特性與電黏附的高效界面作用力。水凝膠的柔軟特性讓它能夠完美貼合胃腸道復(fù)雜的幾何形狀，而電黏附則通過(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形成牢固的交聯(lián)。這種雙重機(jī)制讓e-GLUE不僅能在體液中穩(wěn)定附著，還能在動(dòng)態(tài)的胃腸道蠕動(dòng)環(huán)境中保持穩(wěn)固，附著能力是傳統(tǒng)材料的30倍。

這項(xiàng)成果已發(fā)表在《Science Translational Medicine》上，題目是《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在短短約1分鐘的電刺激下，就能與深層黏膜上皮發(fā)生交聯(lián)，附著時(shí)間長(zhǎng)達(dá)30天。這種獨(dú)特的能力為許多胃腸道治療和診斷提供了新可能。

例如，在治療胃腸道反復(fù)出血時(shí)，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)腸炎等慢性病時(shí)，它能實(shí)現(xiàn)藥物的精準(zhǔn)緩釋；此外，它還能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。

這項(xiàng)創(chuàng)新性的機(jī)制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(kāi)辟了新的發(fā)展方向。e-GLUE通過(guò)電黏附增強(qiáng)的水凝膠界面，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)以及胃液的化學(xué)侵蝕，傳統(tǒng)黏附材料難以停留超過(guò)24小時(shí)。這一局限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)研發(fā)了e-GLUE。這一技術(shù)在水凝膠中巧妙地嵌入了導(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，與深層黏膜中的多陰離子蛋白交聯(lián)。這種操作不僅顯著提升了黏附強(qiáng)度，還為更多應(yīng)用場(chǎng)景提供了靈活性。

這項(xiàng)工作的靈感來(lái)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)，他與合作者共同開(kāi)發(fā)了一種新型雙層離子水凝膠，該材料通過(guò)聚陰離子與聚陽(yáng)離子的層疊結(jié)構(gòu)，模擬了二極管的電學(xué)特性。這種設(shè)計(jì)不僅實(shí)現(xiàn)了離子間精確的相互作用調(diào)控，還顯著提升了水凝膠在濕潤(rùn)生物界面中的附著性能。

該創(chuàng)新性技術(shù)不僅成功突破了傳統(tǒng)水凝膠材料的附著限制，還首次揭示了一種全新的生物界面附著機(jī)制。具體而言，電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)的陽(yáng)離子與多陰離子蛋白的相互交聯(lián)，使材料能夠從表層黏液深入至黏膜上皮組織，從而實(shí)現(xiàn)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(kāi)發(fā)提供了全新的思路與理論依據(jù)。

e-GLUE 技術(shù)框架在胃腸道領(lǐng)域的應(yīng)用取得了顯著突破，展現(xiàn)了其在跨領(lǐng)域研究中的廣泛潛力。該技術(shù)不僅適用于胃腸道黏膜，還可以延伸至呼吸道、泌尿系統(tǒng)等其他生物界面組織，從而進(jìn)一步推動(dòng)黏附界面材料的普適性和應(yīng)用范圍。

通過(guò)這項(xiàng)研究，研究人員希望加速胃腸道治療設(shè)備與診斷設(shè)備的技術(shù)革新，同時(shí)為開(kāi)發(fā)基于電黏附原理的動(dòng)態(tài)生物環(huán)境材料設(shè)計(jì)提供系統(tǒng)性的解決方案。

審稿專家對(duì)本研究給予了高度評(píng)價(jià)。其中一位專家指出，該研究通過(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)生物黏膜界面的超長(zhǎng)時(shí)間附著，其性能明顯優(yōu)于傳統(tǒng)胃腸道黏附材料。

此外，另一位審稿專家特別強(qiáng)調(diào)，這項(xiàng)研究不僅在理論上展現(xiàn)了材料設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)，更通過(guò)一系列的體外與體內(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多個(gè)應(yīng)用場(chǎng)景中的實(shí)際潛力。

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(kāi)發(fā)新型黏膜界面材料開(kāi)辟了全新的研發(fā)方向，不僅能夠有效解決目前胃腸道醫(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研究產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

這項(xiàng)技術(shù)在醫(yī)療領(lǐng)域的應(yīng)用前景十分廣闊，具體包括：

1. 局部藥物遞送：通過(guò)將 e-GLUE 與藥物載體相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)藥物直接遞送到胃腸道的特定病灶部位，從而實(shí)現(xiàn)靶向、持久的治療效果。這一技術(shù)對(duì)于治療如潰瘍性結(jié)腸炎和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)期黏附傳感器可以用于監(jiān)測(cè)胃腸道的 pH 值、炎癥標(biāo)志物以及其他生理參數(shù)，為臨床醫(yī)生提供更為實(shí)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的系統(tǒng)能夠集成到可控微型機(jī)器人中，用于胃腸道內(nèi)的精準(zhǔn)定位與治療。

非胃腸道應(yīng)用：這項(xiàng)技術(shù)同樣可以推廣至其他需要長(zhǎng)時(shí)間附著的生物界面，包括肺、陰道或膀胱等部位，從而為多場(chǎng)景的醫(yī)療需求提供解決方案。

他們預(yù)測(cè)，在未來(lái)2至5年內(nèi)，這項(xiàng)技術(shù)有望進(jìn)入臨床階段，并在某些領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)初步商業(yè)化。

剛剛開(kāi)始這個(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)這樣真實(shí)而復(fù)雜的實(shí)驗(yàn)材料，應(yīng)斌斌既感到興奮又充滿挑戰(zhàn)。然而，早期實(shí)驗(yàn)的結(jié)果卻常常令人發(fā)笑。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)都不夠成熟，每次在通風(fēng)柜里操作時(shí)，總能聞到烤肉般的焦糊氣味——那是電流導(dǎo)致組織局部溫度過(guò)高的結(jié)果。

這個(gè)問(wèn)題不僅讓團(tuán)隊(duì)絞盡腦汁，還帶來(lái)了一些意想不到的幽默。同事們很快給這項(xiàng)技術(shù)起了個(gè)綽號(hào)"BBQ"，形象地描述了他們?cè)趯?shí)驗(yàn)過(guò)程中"燒烤"豬組織的狀態(tài)。這一笑談不僅成為團(tuán)隊(duì)間的調(diào)侃，也時(shí)刻提醒著他們：這個(gè)溫升問(wèn)題必須盡快解決。

在解決這一問(wèn)題的過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的系統(tǒng)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)的多位科研人員，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(guò)程耗時(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)定維持在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一些輕松的時(shí)刻，也深刻地讓?xiě)?yīng)斌斌體會(huì)到，科學(xué)研究的真正魅力在于解決未知問(wèn)題的過(guò)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(guò)不斷堅(jiān)持與細(xì)致打磨，他們最終迎來(lái)了突破，也在這個(gè)過(guò)程中加深了團(tuán)隊(duì)間的默契與信任。

接下來(lái)，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(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)。

此外，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃將e-GLUE技術(shù)整合到新一代智能設(shè)備中，具體包括集成微型攝像頭、導(dǎo)航系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)溫度、pH值、壓力和電阻等多維度傳感功能。這些技術(shù)的整合不僅能夠擴(kuò)大e-GLUE的應(yīng)用領(lǐng)域，還能夠?qū)崿F(xiàn)更加智能化的設(shè)備操作，為個(gè)性化醫(yī)療提供新的技術(shù)支持。

此外，研究團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)行大規(guī)模的長(zhǎng)期動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，重點(diǎn)是進(jìn)行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)定性的驗(yàn)證。這些實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)將為后續(xù)的臨床研究提供更加可靠的支撐。

此外，研究團(tuán)隊(duì)計(jì)劃與消化科醫(yī)生密切合作，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方面的應(yīng)用前景，包括診斷和治療的探索。這些研究將為最終的臨床轉(zhuǎn)化奠定基礎(chǔ)。

通過(guò)這些持續(xù)的努力，研究團(tuán)隊(duì)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)革命性的創(chuàng)新。

應(yīng)斌斌補(bǔ)充表示，作為一項(xiàng)前沿性的基礎(chǔ)材料技術(shù)，e-GLUE的應(yīng)用價(jià)值不僅局限于胃腸道領(lǐng)域。它在其他具有黏膜表面組織的系統(tǒng)中同樣具有巨大的潛力。例如，在呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)和生殖系統(tǒng)中，e-GLUE卓越的附著特性可以被用于開(kāi)發(fā)集成傳感器、藥物緩釋裝置等智能化設(shè)備，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)疾病的精準(zhǔn)診斷和智能化管理。

研究團(tuán)隊(duì)對(duì)e-GLUE技術(shù)的未來(lái)應(yīng)用充滿信心。通過(guò)與呼吸疾病專家、泌尿科醫(yī)生、生殖醫(yī)學(xué)研究者以及其他領(lǐng)域科學(xué)家的緊密合作，他們相信可以進(jìn)一步挖掘和拓展這一技術(shù)的潛力，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)其廣泛轉(zhuǎn)化和價(jià)值最大化。

參考文獻(xiàn)：

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

排版：何晨龍