你是否想過，有一天我們可以吞下一顆微型“智慧膠囊”，它在體內悄然停留，即時監測並管理健康狀況，待任務完成後，再悄然離去？
這一未來場景，雖然令人興奮，但要實現它仍面臨許多挑戰。其中最關鍵的一點是：如何讓智慧膠囊在胃腸道內精準停留，而不是隨消化流動被動排出？
近日，美國麻省理工學院（MIT）應斌斌博士和美國四院院士 Robert Langer 教授和 Giovanni Traverso 教授，研發出一款全新黏附介面技術——e-GLUE。這一突破性技術成功解決了胃腸道環境中長時間穩定附著的難題，為可程式設計駐留的智慧膠囊鋪平了道路。
e-GLUE 的核心創新在於結合了水凝膠的柔韌性和電黏附的高效介面作用力，成功解決了胃腸道環境中長時間黏附的難題。水凝膠的柔軟特性使其能夠貼合胃腸道複雜的幾何形狀，而電黏附透過外加電場啟用陽離子聚合物，使其與黏膜中的多陰離子蛋白產生牢固的交聯。這種雙重機制讓 e-GLUE 能在體液浸潤和胃腸道蠕動的動態環境中穩固附著，並顯著提升黏附能量——最高可達傳統材料的 30 倍。
日前，相關論文以《電致粘附水凝膠介面延長豬胃腸道粘膜的診斷與治療》（An electroadhesive hydrogel interface prolongs porcine gastrointestinal mucosal theranostics）為題發在 Science Translational Medicine。
圖| 相關論文（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adq1975）
特別值得一提的是，透過短短約 1 分鐘的電刺激，e-GLUE 可與深層黏膜上皮發生互動作用，延長其在胃腸道中的黏附時間，最長可達 30 天。這種獨特的長效黏附能力為多種胃腸道治療和診斷應用帶來了全新可能。
例如，針對胃腸道反覆性出血，e-GLUE 可用於區域性止血裝置的穩定黏附；在潰瘍性結腸炎等慢性病治療中，它可實現藥物的精準緩釋；此外，它還可支援黏膜感測器的長期穩定性，用於連續監測胃腸道生理資料，例如炎症標誌物、組織阻抗值等。
圖 | 應斌斌（來源：資料圖）
這一創新性機制的成功應用，不僅顯著提升了胃腸道治療裝置的臨床價值，還為黏膜介面生物技術開闢了新的可能性。透過電黏附增強的水凝膠介面，e-GLUE 為長效、精準的治療和監測提供了強有力的技術支援，為未來的個性化醫療帶來了深遠影響。
（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adq1975）
這項研究的起點源於一個關鍵挑戰：如何在胃腸道這樣複雜且動態的環境中實現生物材料或裝置的穩定長時間黏附。胃腸道因快速更新的黏液層和上皮細胞、持續的機械蠕動以及胃液的化學侵蝕，使得傳統黏附材料在體內難以停留超過 24 小時。這一侷限顯著影響了其在藥物遞送、止血以及生理訊號監測等領域的實際應用效果。
為解決這一問題，他們研發了 e-GLUE。這一技術在水凝膠中嵌入了導電組分，利用外加電場驅動陽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，從而顯著提升黏附強度。e-GLUE 的黏附力還可透過電場精準調控，為更多場景的靈活應用提供了可能性。
這項工作的靈感部分來源於應斌斌在博士期間的研究。當時，他和合作者開發了一種新型雙層離子水凝膠，透過聚陰離子和聚陽離子層疊的方式，實現了類似二極體的功能。這種設計透過精確調控離子間的相互作用，實現了高效的訊號傳導和功能響應。結合這一經驗，他和目前團隊認識到精細的電荷互動機制也可用於提升水凝膠在溼潤介面的黏附效能。
這一創新不僅有效突破了傳統水凝膠的黏附限制，還揭示了一種全新的黏附機制——透過電場驅動陽離子與多陰離子蛋白的交聯，材料可從表層黏液深入到黏膜上皮，實現持久穩定的介面結合。這一發現為動態生物介面材料的設計提供了全新思路。
e-GLUE 的技術框架不僅適用於胃腸道，還展現了跨領域的應用潛力，可擴充套件至呼吸道、泌尿系統等其他黏膜表面的組織，進一步推動黏附介面技術的普適性與廣泛應用。
透過這項研究，他們希望加速胃腸道治療和診斷裝置的技術進步，併為動態生物環境中的材料設計提供系統性解決方案。
審稿人對這項研究給予了高度評價。其中一位審稿人稱讚道：“這項研究透過創新性地利用電泳原理，實現了電黏附水凝膠在溼潤、生物黏膜介面上的超長時間附著，顯著優於傳統的胃腸道黏附材料。”
另一位審稿人特別指出，這項研究不僅展示了理論上的材料設計優勢，還透過一系列體外與體內實驗驗證了其在止血、區域性藥物遞送以及黏膜組織感測等場景中的廣泛應用潛力。
更重要的是，審稿人們一致認為，e-GLUE 的電黏附機制為黏膜介面材料的研發開闢了全新方向，不僅有助於解決目前胃腸道醫療裝置穩定性不足的難題，還可能對更廣泛的生物介面材料領域產生深遠影響。
（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adq1975）
這項技術的潛在應用場景非常廣泛，尤其是在醫療領域。具體來說：
1. 區域性藥物遞送：透過將 e-GLUE 結合藥物載體，將藥物直接遞送到胃腸道特定病灶部位，實現長時間、精準的治療。這在潰瘍性結腸炎、克羅恩病等慢性病的治療中尤為重要。
2. 胃腸道診斷裝置：開發基於 e-GLUE 的長期黏附感測器，用於監測胃腸道 pH 值、炎症標誌物或其他生理訊號，為醫生提供更多即時、動態的病情資訊。
3. 微型機器人輔助治療：e-GLUE 的技術可以整合到可控微型機器人上，用於胃腸道內的精準定位和治療。
4. 非胃腸道應用：這項技術同樣可以推廣到其他需要長時間附著的生物介面，如肺、陰道或者膀胱，為不同場景的醫療需求提供解決方案。
他們預測，在未來 2 到 5 年內，這項技術可以進入臨床試驗，甚至在某些領域實現初步商業化。
剛剛開始這個課題時，他們首次拿到離體豬腸胃組織進行實驗。面對這樣真實而複雜的實驗材料，應斌斌既興奮又充滿挑戰感。然而，早期實驗的結果卻總是讓人哭笑不得。由於當時的水凝膠配方、電場條件以及電極設計都還不成熟，每次在通風櫃裡做實驗時，總能聞到一股烤肉的味道——那是電流導致組織區域性溫度過高的結果。
這個問題不僅讓團隊絞盡腦汁，也帶來了一些意想不到的幽默。同事們很快給這個技術起了個綽號“BBQ”，形象地描述了他們“燒烤”豬組織的實驗狀態。這一笑談不僅成為團隊間的調侃，也時刻提醒他們：這個溫升問題必須儘快解決。
在解決這一問題的過程中，團隊進行了大量細緻的最佳化工作。包括本課題的重要合作者、現已入職浙江大學的南科望研究員在內，他們對水凝膠的導電性、電場強度以及電極形狀等關鍵引數進行了系統調整。這一過程耗時長達一年半，充滿了試驗失敗和技術迭代的挑戰。
最終，他們成功設計出一種既能有效控制溫度升高、又能保持高黏附力的方案。當他們在活體豬實驗中首次看到溫度穩定控制在 43 攝氏度以下，且材料穩穩附著在組織表面時，那一刻的喜悅和成就感難以言喻。
這個小插曲不僅讓團隊在緊張的科研工作中找到了一些輕鬆的時刻，也深刻地讓應斌斌體會到，科學研究的真正魅力在於解決未知問題的過程。每一個看似困難的挑戰背後，其實都蘊藏著創新的機會。透過不斷堅持與細緻打磨，他們最終迎來了突破，也在這個過程中加深了團隊間的默契與信任。
（來源：https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adq1975）
接下來，他們的研究計劃將主要聚焦於以下幾個方向，以進一步推動 e-GLUE 技術的創新和應用落地：
首先，他們將構建精細的數學模型，深入研究 e-GLUE 黏附行為的底層機制，包括電場激勵對材料效能的動態影響。這將幫助他們進一步提升材料的黏附強度，並增強其在體內極端環境中的長期穩定性，從而為更加嚴苛的臨床應用奠定基礎。
其次，他們計劃將 e-GLUE 技術整合到新一代的智慧裝置中，例如在裝置中加入微型攝像頭和導航，並讓其實現包含溫度、pH 值、壓力和電阻在內的感測功能。這些功能的整合不僅能大幅拓展 e-GLUE 的應用範圍，還能實現更加自動化的操作，為個性化醫療提供全新的技術支援。
再次，他們也將開展更大規模的長期動物實驗，重點驗證 e-GLUE 多功能裝置在實際胃腸道環境中的安全性和穩定性。這些實驗結果將為後續的臨床研究提供更加可靠的資料支援。
最後，他們計劃與消化科醫生密切合作，開展小規模的臨床前研究，探索 e-GLUE 技術在多種慢性胃腸道疾病中的潛在應用，包括胃蠕動緩慢、慢性腸胃道出血以及炎症性腸病的診斷和治療。這些嘗試將為最終的臨床轉化奠定重要基礎。
透過這些方向的持續努力，他們希望進一步推動 e-GLUE 技術從實驗室走向實際應用，最終為胃腸道疾病的檢測和治療帶來革命性的變革。
應斌斌補充稱，e-GLUE 作為一項具有前沿性的基礎材料技術，其應用價值遠不止於胃腸道領域。它在其他具有黏膜表面的組織中同樣展現出巨大的潛力。例如，在呼吸系統、泌尿系統以及生殖系統中，e-GLUE 的卓越黏附能力可用於開發整合感測器、藥物緩釋裝置等智慧化工具，從而實現對相關疾病的精準診斷與智慧化管理。
展望未來，他們相信 e-GLUE 技術將為跨學科研究帶來新的契機。透過與呼吸疾病專家、泌尿科醫生、生殖醫學研究者及其他領域的科學家合作，他們希望進一步挖掘和擴充套件這項技術的潛能，推動其在更多醫學和工程應用中的創新性突破，最終實現其在多個領域中的廣泛轉化與價值最大化。
參考資料：
1.https://www.science.org/doi/10.1126/scitranslmed.adq1975
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