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  吃一顆果凍，就可以長期監控核心體征例如溫度、pH、進食和吃藥情況、以及消化道病變30天。不用擔心手術植入發炎、下胃鏡痛苦、每天穿戴和充電的麻煩。這顆果凍器件可能是很多病人、醫生、科學家、工程師和普通人多年的夢想。現有的可服用器件多是基于金屬、硅、陶瓷、玻璃和塑料的，它們比人體消化道堅硬很多倍，有的需要胃鏡遞送甚至手術麻醉，可能給人體造成很多痛苦和不便。同時，現有的可吞服器件又大多受限于胃腸轉運時間，最多在消化道內滯留一兩天，不能長期監測體征。

  在今日發表在Nature Communications的文章中，MIT趙選賀團隊首次提出并實現可食用水凝膠電子設備，將那顆夢想的果凍向現實推進了一步。口服水凝膠膠囊只有一粒藥丸大小，口服后在胃中快速吸水膨脹體積100倍左右，能夠長期滯留在胃腔內部。該水凝膠器件在胃中可以同時保持柔軟性和抗疲勞性：一方面，它能夠實現與胃腔膜的柔性接觸，避免磨損胃腔，引起胃潰瘍等不良排異反應；另一方面，能夠長期抵抗胃腔的機械蠕動和胃酸的化學腐蝕。此外，通過在水凝膠中嵌入電子傳感器 （例如溫度傳感器），可以持續監測核心體征（例如胃內溫度）長達一個月。

視頻1. 水凝膠器件在水和人工胃液中能夠快速大體積膨脹（10分鐘內體積擴張100倍）

  如何實現快速大體積的膨脹的同時，達到理想的力學性能（兼具柔韌性和抗疲勞性）是水凝膠設計中的一個挑戰。現有的超吸水水凝膠能夠實現大體積的溶脹，但是它們的力學性能很差，無法承受胃腔在酸性環境下周期性的壓縮和蠕動。

圖1. 水凝膠器件的設計思路

  趙選賀團隊的解決方案是將水凝膠設計成膠囊型，該膠囊由兩種材料的水凝膠組成。膠囊內部是聚丙烯酸鈉，一種超吸水水凝膠顆粒，能夠實現快速吸水和大體積溶脹。但研究人員意識到，如果只是依賴于這些超吸水水凝膠顆粒，他們在胃腔的機械壓縮下會快速降解，并排出胃腔，無法實現長期滯留。于是，他們應用了他們最近開發的抗疲勞半晶水凝膠[Science Advances, 5: eaau8528 (2019)]包裹在超吸水顆粒外層。該水凝膠薄膜具有抗疲勞特性的原因在于，材料中的缺陷擴展需要通過破壞半晶水凝膠內部的晶區。而這些晶區，具備超高斷裂強度，可以阻礙裂紋的擴展，進而提供材料抗疲勞特性。該水凝膠薄膜除了可以在長期反復加載下提供力學強度，本身十分柔軟光滑，能夠與實現消化道組織的柔性接觸，避免潛在胃腔內壁磨損等排異反應。

圖2. 水凝膠器件在豬的胃部實現膨脹和滯留

  團隊的合作者Steiger和 Traverso進一步讓大型動物（豬，其具有和人類相似的消化道）口服水凝膠電子設備。之后，趙選賀團隊從傳感器中提取出胃腔溫度隨時間變化的相關信息。他們發現，通過這些溫度數據能夠持續30天有效地追蹤動物每天的生活習性和進食習慣。

圖3. 胃腔溫度在24小時之內的規律性變化

  美國亞利桑那州立大學姜漢卿教授點評這項工作：

  “可食用器件作為一個新興領域，可以用來監測重要的生理狀態和指標。傳統的可食用電子器件是由一些對生物不友好的材料制備而成。趙教授的工作實現了重大的飛躍，他們基于水凝膠創造了一種生物相容、柔軟同時具有韌性（抗疲勞性）的可食用器件，能夠顯著的拓展可食用電子器件的范圍。另外，這也是趙教授長期研究的韌性水凝膠的一種新的應用。”

視頻2. 可食用水凝膠電子

作者的展望

  除了藥物緩釋和核心體征監測，該口服水凝膠技術還能夠作為人體消化道和電子設備之間的界面，實現更廣泛的生物醫藥功能。例如，通過嵌入其他傳感器（壓力、加速度，導電性，酸堿度，氣體以及其他的生物標志物），該水凝膠器件可以提供長時間、多維度的生物信號監控，而這種長期監測得到的大數據，可以用于行為模式分析和疾病診斷。

  另外，將膠囊胃鏡技術和口服水凝膠器件整合起來，可以實現長期、無線的胃鏡觀察，減輕病患痛苦。溶脹狀態的水凝膠器件可以在胃部長期占據大部分體積，引起飽腹感，從而控制體重，有益于減輕肥胖癥。

圖4. 口服水凝膠電子設備作為人機界面

團隊介紹

  該工作由麻省理工趙選賀團隊（MIT Zhao lab）主導完成。通訊作者趙選賀博士是MIT終身教授、MIT機械系副教授，以及Robert N. Noyce Career Development 教授。該工作的共同第一作者有MIT博士生劉心悅, Christoph Steiger, 以及林少挺。

  論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-019-08355-2

  MIT趙選賀團隊（http://zhao.mit.edu）長期推動軟材料和人機界面科技的發展。最近的成果包括：

機理研究

· 首次提出水凝膠抗疲勞（anti-fatigue-fracture）的機理并實現超高抗疲勞水凝膠 Science Advances, 5: eaau8528 (2019)

· 首次系統闡述多種水凝膠增韌（high toughness）的機理 Soft Matter, 10, 672 (2014)

· 首次提出水凝膠超韌粘結 （tough adhesion）的機理并實現與各種材料的超韌粘結 Nature Materials, 15, 190 (2016)

· 首次提出堅韌水凝膠高彈體聚合物（hydrogel-elastomer hybrid）并實現不干水凝膠 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

· 首次系統闡述水凝膠增強 （high strength）的機理 Proceedings of the National Academy of Sciences, 114, 8138 (2017)

· 首次定義水凝膠生物電子學（hydrogel bioelectronics） Chemical Society Review, DOI: 10.1039/c8cs00595h

· 首次提出3D打印超韌超彈水凝膠的方法并打印各種載細胞的超韌超彈水凝膠結構 Advance Materials, 27, 4035 (2015)

· 首次提出3D打印鐵磁軟材料和軟機器 Nature, 558, 274 (2018)

應用研究

· 首次提出可食用水凝膠電子并用來長期監測核心體征 Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-019-08355-2

· 首次提出并實現可拉伸水凝膠電子 Advanced Materials 28, 4497 (2016)

· 首次實現液壓水凝膠驅動器和機器人 Nature Communications, 8, 14230 (2017)

· 首次實現超拉伸水凝膠光纖 Advanced Materials, 28, 10244 (2016)

· 首次實現各種醫療儀器上的超韌水凝膠涂層  Advanced Healthcare Materials,6,1700520 (2017); Advanced Materials, 1807101 (2018)

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

· 首次應用力學失穩得到人工粘膜 Proceedings of the National Academy of Sciences, 115, 7503 (2018)

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