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MIT赵选贺团队发明可食用水凝胶电子,监控核心体征30天
2019-01-31 来源:中国流变网    点击次数:211次    

  吃一颗果冻,就可以长期监控核心体征例如温度、pH、进食和吃药情况、以及消化道病变30天。不用担心手术植入发炎、下胃镜痛苦、每天穿戴和充电的麻烦。这颗果冻器件可能是很多病人、医生、科学家、工程师和普通人多年的梦想。现有的可服用器件多是基于金属、硅、陶瓷、玻璃和塑料的,它们比人体消化道坚硬很多倍,有的需要胃镜递送甚至手术麻醉,可能给人体造成很多痛苦和不便。同时,现有的可吞服器件又大多受限于胃肠转运时间,最多在消化道内滞留一两天,不能长期监测体征。

  在今日发表在Nature Communications的文章中,MIT赵选贺团队首次提出并实现可食用水凝胶电子设备,将那颗梦想的果冻向现实推进了一步。口服水凝胶胶囊只有一粒药丸大小,口服后在胃中快速吸水膨胀体积100倍左右,能够长期滞留在胃腔内部。该水凝胶器件在胃中可以同时保持柔软性和抗疲劳性:一方面,它能够实现与胃腔膜的柔性接触,避免磨损胃腔,引起胃溃疡等不良排异反应;另一方面,能够长期抵抗胃腔的机械蠕动和胃酸的化学腐蚀。此外,通过在水凝胶中嵌入电子传感器 (例如温度传感器),可以持续监测核心体征(例如胃内温度)长达一个月。

视频1. 水凝胶器件在水和人工胃液中能够快速大体积膨胀(10分钟内体积扩张100倍)

  如何实现快速大体积的膨胀的同时,达到理想的力学性能(兼具柔韧性和抗疲劳性)是水凝胶设计中的一个挑战。现有的超吸水水凝胶能够实现大体积的溶胀,但是它们的力学性能很差,无法承受胃腔在酸性环境下周期性的压缩和蠕动。

图1. 水凝胶器件的设计思路

  赵选贺团队的解决方案是将水凝胶设计成胶囊型,该胶囊由两种材料的水凝胶组成。胶囊内部是聚丙烯酸钠,一种超吸水水凝胶颗粒,能够实现快速吸水和大体积溶胀。但研究人员意识到,如果只是依赖于这些超吸水水凝胶颗粒,他们在胃腔的机械压缩下会快速降解,并排出胃腔,无法实现长期滞留。于是,他们应用了他们最近开发的抗疲劳半晶水凝胶[Science Advances, 5: eaau8528 (2019)]包裹在超吸水颗粒外层。该水凝胶薄膜具有抗疲劳特性的原因在于,材料中的缺陷扩展需要通过破坏半晶水凝胶内部的晶区。而这些晶区,具备超高断裂强度,可以阻碍裂纹的扩展,进而提供材料抗疲劳特性。该水凝胶薄膜除了可以在长期反复加载下提供力学强度,本身十分柔软光滑,能够与实现消化道组织的柔性接触,避免潜在胃腔内壁磨损等排异反应。

图2. 水凝胶器件在猪的胃部实现膨胀和滞留

  团队的合作者Steiger和 Traverso进一步让大型动物(猪,其具有和人类相似的消化道)口服水凝胶电子设备。之后,赵选贺团队从传感器中提取出胃腔温度随时间变化的相关信息。他们发现,通过这些温度数据能够持续30天有效地追踪动物每天的生活习性和进食习惯。

图3. 胃腔温度在24小时之内的规律性变化

  美国亚利桑那州立大学姜汉卿教授点评这项工作:

  “可食用器件作为一个新兴领域,可以用来监测重要的生理状态和指标。传统的可食用电子器件是由一些对生物不友好的材料制备而成。赵教授的工作实现了重大的飞跃,他们基于水凝胶创造了一种生物相容、柔软同时具有韧性(抗疲劳性)的可食用器件,能够显著的拓展可食用电子器件的范围。另外,这也是赵教授长期研究的韧性水凝胶的一种新的应用。”

视频2. 可食用水凝胶电子

作者的展望

  除了药物缓释和核心体征监测,该口服水凝胶技术还能够作为人体消化道和电子设备之间的界面,实现更广泛的生物医药功能。例如,通过嵌入其他传感器(压力、加速度,导电性,酸碱度,气体以及其他的生物标志物),该水凝胶器件可以提供长时间、多维度的生物信号监控,而这种长期监测得到的大数据,可以用于行为模式分析和疾病诊断。

  另外,将胶囊胃镜技术和口服水凝胶器件整合起来,可以实现长期、无线的胃镜观察,减轻病患痛苦。溶胀状态的水凝胶器件可以在胃部长期占据大部分体积,引起饱腹感,从而控制体重,有益于减轻肥胖症。

图4. 口服水凝胶电子设备作为人机界面

团队介绍

  该工作由麻省理工赵选贺团队(MIT Zhao lab)主导完成。通讯作者赵选贺博士是MIT终身教授、MIT机械系副教授,以及Robert N. Noyce Career Development 教授。该工作的共同第一作者有MIT博士生刘心悦Christoph Steiger, 以及林少挺

  论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-08355-2

  MIT赵选贺团队(http://zhao.mit.edu)长期推动软材料和人机界面科技的发展。最近的成果包括:

机理研究

· 首次提出水凝胶抗疲劳(anti-fatigue-fracture)的机理并实现超高抗疲劳水凝胶 Science Advances, 5: eaau8528 (2019)

· 首次系统阐述多种水凝胶增韧(high toughness)的机理 Soft Matter, 10, 672 (2014)

· 首次提出水凝胶超韧粘结 (tough adhesion)的机理并实现与各种材料的超韧粘结 Nature Materials, 15, 190 (2016)

· 首次提出坚韧水凝胶高弹体聚合物(hydrogel-elastomer hybrid)并实现不干水凝胶 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

· 首次系统阐述水凝胶增强 (high strength)的机理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)

· 首次定义水凝胶生物电子学(hydrogel bioelectronics) Chemical Society Review, DOI: 10.1039/c8cs00595h

· 首次提出3D打印超韧超弹水凝胶的方法并打印各种载细胞的超韧超弹水凝胶结构 Advance Materials, 27, 4035 (2015)

· 首次提出3D打印铁磁软材料和软机器 Nature, 558, 274 (2018)

应用研究

· 首次提出可食用水凝胶电子并用来长期监测核心体征 Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-019-08355-2

· 首次提出并实现可拉伸水凝胶电子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)

· 首次实现液压水凝胶驱动器和机器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)

· 首次实现超拉伸水凝胶光纤 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)

· 首次实现各种医疗仪器上的超韧水凝胶涂层  Advanced Healthcare Materials,6,1700520 (2017); Advanced Materials, 1807101 (2018)

· 首次提出并实现可拉伸生命器件 (stretchable living device) Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 2200 (2017)

· 首次应用力学失稳得到人工粘膜 Proceedings of the National Academy of Sciences, 115, 7503 (2018)

  下载:论文全文

 
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