这种新型药丸由两种水凝胶制成——聚合物和水的混合物，其稠度类似果冻。这种组合使药片在胃里迅速膨胀，同时不受胃里剧烈的酸性环境的影响。
这种以水凝胶为基础的设计比现有的可食用传感器更柔软、更生物兼容、更持久。目前的可食用传感器要么只能在胃里保存几天，要么由硬塑料或金属制成，硬度比胃肠道高几个量级。麻省理工学院(MIT)机械工程副教授赵宣和(Xuanhe Zhao)表示:“我们的梦想是研制出一种类似果冻(jell - o)的智能药丸，吞下后留在胃里，在很长一段时间内监测患者的健康状况，比如一个月。”
广告
广告
药丸，乒乓球和河豚
这种新型充气药丸的设计灵感来自河豚鱼的防御机制。河豚鱼通常行动缓慢，当受到威胁时，它们会迅速膨胀，就像一个尖刺的气球。它通过快速吸收大量的水来做到这一点。
河豚坚韧、快速膨胀的身体正是赵想要复制的水凝胶形态。该团队一直在寻找设计一种水凝胶药丸的方法，这种药丸可以将传感器植入胃内，并在胃内停留较长一段时间来监测生命体征或疾病状态。
他们意识到，如果药片小到可以吞咽并通过食道，那么它也小到可以通过一个叫做幽门的开口从胃里出来。为了防止它离开胃，研究小组必须设计出能迅速膨胀到乒乓球大小的药丸。“目前，当人们试图设计这些高膨胀的凝胶时，他们通常使用扩散法，让水逐渐扩散到水凝胶网络中，”刘说。但要膨胀到乒乓球那么大，需要几个小时，甚至几天。这比胃的排空时间还长。”
相反，研究人员寻找方法来设计一种水凝胶丸，它可以膨胀得更快，膨胀速度可以与受惊的河豚鱼相媲美。
一个可摄取的追踪
他们最终完成的设计就像一个由两种水凝胶材料制成的果冻状的小胶囊。内部材料含有聚丙烯酸钠，这是一种高吸水性颗粒，用于商业产品，如尿布，因为它们有快速吸收液体和充气的能力。
然而，研究人员意识到，如果药丸仅由这些颗粒制成，它会立即分解，并以单个颗粒的形式从胃中排出。因此，他们设计了第二层保护水凝胶层来封装快速膨胀的颗粒。这层外膜是由许多纳米晶体链组成的，每一层都叠叠在一起，形成一种几乎无法穿透的、堵塞的图案——研究人员在早些时候的一篇论文中报道了这种“抗疲劳”的特性。林说:“要打破这层膜，你必须要突破许多晶体域。”“这就是为什么这种水凝胶非常坚固，同时又很柔软。”
在实验室中，研究人员将药片浸泡在各种水和类似胃液的液体溶液中，发现药片在大约15分钟内膨胀到原来大小的100倍——比现有的可膨胀水凝胶快得多。赵说，一旦膨胀，这种药丸就像豆腐或果冻一样柔软，但却出奇地强壮。
为了测试药片的韧性，研究人员机械地挤压了它数千次，其力度甚至超过了药片在胃正常收缩时所经历的力度。林解释说:“我们的胃要进行成千上万次循环的负荷来消化食物。”“我们发现，即使我们在薄膜上做一个小切口，然后拉伸和挤压它数千次，切口也不会变大。我们的设计非常稳健。”
研究人员进一步确定，浓度高于牛奶中的钙离子溶液可以收缩肿胀的颗粒。这就会使药片放气并排出胃外。
最后，Steiger和Traverso将小型的商用温度传感器嵌入几粒药丸中，并将药丸喂给猪，因为猪的胃和胃肠道与人类非常相似。该团队随后从猪的粪便中提取了温度传感器，并绘制了传感器随时间的温度测量值。他们发现，这种传感器能够准确跟踪动物30天内的日常活动模式。亚利桑那州立大学(Arizona State University)机械和航空航天工程教授江汉清(Hanqing Jiang)说:“可消化电子产品是一个监测重要生理条件和生物标记物的新兴领域。”他没有参与这项研究。“传统的可消化电子产品是由非生物友好材料制成的。赵教授的团队在生物相容性和软而硬的凝胶可食性设备的开发上迈出了一大步，这极大地拓展了可食性电子产品的视野。它也代表了该组织多年来致力于的坚硬水凝胶的新应用。”
在未来，研究人员设想这种药丸可以安全地在胃里放置一些不同的传感器来监测，比如pH值水平，或者某些细菌或病毒的迹象。微型摄像机也可以嵌入到药片中，在几个星期内拍摄肿瘤或溃疡的进展情况。赵教授说，这种药丸也可以作为胃球囊饮食法的一种更安全、更舒适的替代品。胃球囊饮食法是一种饮食控制方式，通过内窥镜将胃球囊穿过患者的食道，进入胃。“在我们的设计中，你不需要经历一个痛苦的过程来植入一个坚硬的球囊，”赵说。“也许你可以吃一些这种药，来填饱肚子，减肥。”我们认为这种水凝胶设备有很多可能性。”
来源:麻省理工学院
