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当前位置：可摄取的膨胀药可监测胃部长达一个月
麻省理工学院的工程师设计了一种可吸收的，类似Jell-O的药丸，当它到达胃部时，迅速膨胀到一个柔软，湿软的乒乓球大小，足以长时间留在胃里。
充气药丸内置一个传感器，可持续跟踪胃的温度长达30天。如果需要从胃中取出药丸，患者可以喝一种钙溶液，可以迅速收缩到原来的大小，并安全地从体内排出。
新药丸由两种类型的水凝胶制成 - 聚合物和水的混合物，类似于Jell-O的稠度。该组合使得药丸能够在胃中迅速膨胀，同时保持不受胃的酸性环境的影响。
基于水凝胶的设计比现有的可摄取传感器更柔软，更具生物相容性，并且更持久，传感器可以仅在胃中保留几天，或者由硬塑料或比胃肠更硬的金属制成。道。
麻省理工学院机械工程副教授赵玄和表示：“我们的梦想是拥有一种类似Jell-O的智能药丸，这种药丸一旦吞咽就会停留在胃部并长时间监测患者的健康状况。”
赵和高级合作者Giovanni Traverso是一名访问科学家，他将于2019年加入麻省理工学院，与主要作者刘新月，Christoph Steiger和Shaoting Lin一起，今天在Nature Communications上发表了他们的成果。
新型充气药丸的设计灵感来自河豚或河豚的防御机制。通常是缓慢移动的物种，河豚在受到威胁时会迅速膨胀，就像一个尖尖的气球。它是通过快速吸入大量水来实现的。
河豚坚韧，快速膨胀的身体正是赵希望以水凝胶形式复制的东西。该团队一直在寻找方法来设计一种基于水凝胶的药丸，将传感器带入胃中，并在相当长的一段时间内监测生命体征或疾病状态。
他们意识到，如果药丸足够小，可以吞咽并从食道中流下，它也会小到足以通过一个称为幽门的开口从胃中排出。为了防止它离开胃，该组织必须设计药丸，以迅速膨胀至乒乓球的大小。
“目前，当人们尝试设计这些高度可膨胀的凝胶时，他们通常会使用扩散，让水逐渐扩散到水凝胶网络中，”刘说。“但膨胀到一个乒乓球的大小需要几个小时，甚至几天。它比胃的排空时间长。“
研究人员寻找方法设计一种可以更快速地膨胀的水凝胶丸，其速度可与惊人的河豚相媲美。
可摄入的跟踪器
他们最终落地的设计类似于一种由两种水凝胶材料制成的小型Jell-O型胶囊。内部材料含有聚丙烯酸钠 - 超吸收颗粒，用于商业产品如尿布，因为它能够快速吸收液体和膨胀。
然而，研究人员意识到，如果药丸仅由这些颗粒制成，它会立即分裂并作为单个珠子从胃中排出。因此，他们设计了第二个保护性水凝胶层来封装快速膨胀的颗粒。这种外膜由多个纳米级晶体链制成，每个都折叠在另一个上，形成几乎难以穿透的网格状图案 - 研究人员在早期论文中报道了这种“抗疲劳”特征。
“你必须通过许多结晶域来破坏这种膜，”林说。“这就是使这种水凝胶非常结实，同时又柔软的原因。”
在实验室中，研究人员将药丸浸泡在各种类似胃液的水和液体溶液中，并发现药丸在约15分钟内膨胀至其原始尺寸的100倍 - 比现有的可膨胀水凝胶快得多。一旦充气，赵说药丸是关于豆腐或果冻的柔软度，但令人惊讶的强烈。
为了测试药丸的韧性，研究人员将其机械挤压数千次，其力量甚至大于药丸在胃部常规收缩时的体积。
“胃会施加数千到数百万次的负荷来磨碎食物，”林解释说。“我们发现即使我们在膜上做了一个小切口，然后拉伸和挤压它数千次，切口也不会变大。我们的设计非常强大。“
研究人员进一步确定，浓度高于牛奶浓度的钙离子溶液会使溶胀的颗粒收缩。这会触发药丸放气并从胃中排出。
最后，Steiger和Traverso将小型商用温度传感器嵌入几个药丸中，并将药丸喂给猪，这些猪的胃和胃肠道非常类似于人类。该团队随后从猪粪中检索了温度传感器，并绘制了传感器的温度测量结果。他们发现传感器能够准确地跟踪动物的日常活动模式长达30天。
“可摄取的电子产品是监测重要生理条件和生物标志物的新兴领域，”亚利桑那州立大学机械和航空航天工程教授Hanqing Jiang说，他没有参与这项工作。“传统的可吸收电子产品由非生物友好型材料制成。赵教授的团队正在大力发展生物相容性和柔软但坚韧的凝胶型可摄取装置，这显着扩展了可吸收电子产品的发展前景。它也代表了该集团多年来致力于应用的强硬水凝胶的新应用。“
在未来的研究中，研究人员设想药丸可以安全地向胃部传递许多不同的传感器，以监测例如pH水平或某些细菌或病毒的迹象。在几周的过程中，微小的相机也可以嵌入药丸中以对肿瘤或溃疡的进展进行成像。赵说这种药丸也可能被用作胃气球饮食的一种更安全，更舒适的替代品，这是一种饮食控制形式，其中使用内窥镜将气球穿过患者的食道并进入胃。
“通过我们的设计，你不需要经历一个痛苦的过程来植入刚性气球，”赵说。“也许你可以服用一些这些药片来帮助填饱肚子，减肥。我们看到这种水凝胶装置有很多可能性。“
这项研究部分得到了国家科学基金会，国立卫生研究院和比尔和梅林达盖茨基金会的支持。
@Jennifer Chu
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