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  吃一顆果凍，就可以長期監(jiān)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(fā)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(yī)生、科學家、工程師和普通人多年的夢想。現(xiàn)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(xiàn)有的可吞服器件又大多受限于胃腸轉(zhuǎn)運時間，最多在消化道內(nèi)滯留一兩天，不能長期監(jiān)測體征。

  在今日發(fā)表在Nature Communications的文章中，MIT趙選賀團隊首次提出并實現(xiàn)可食用水凝膠電子設備，將那顆夢想的果凍向現(xiàn)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(nèi)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?qū)崿F(xiàn)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(xù)監(jiān)測核心體征（例如胃內(nèi)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(nèi)體積擴張100倍）

  如何實現(xiàn)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(zhàn)�，F(xiàn)有的超吸水水凝膠能夠?qū)崿F(xiàn)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(huán)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(nèi)部是聚丙烯酸鈉，一種超吸水水凝膠顆粒，能夠?qū)崿F(xiàn)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(xiàn)長期滯留。于是，他們應用了他們最近開發(fā)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(nèi)部的晶區(qū)。而這些晶區(qū)，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(xiàn)消化道組織的柔性接觸，避免潛在胃腔內(nèi)壁磨損等排異反應。

圖2. 水凝膠器件在豬的胃部實現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，通過這些溫度數(shù)據(jù)能夠持續(xù)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(nèi)的規(guī)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(jiān)測重要的生理狀態(tài)和指標。傳統(tǒng)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(xiàn)了重大的飛躍，他們基于水凝膠創(chuàng)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(jiān)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(xiàn)更廣泛的生物醫(yī)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(jiān)控，而這種長期監(jiān)測得到的大數(shù)據(jù)，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(xiàn)長期、無線的胃鏡觀察，減輕病患痛苦。溶脹狀態(tài)的水凝膠器件可以在胃部長期占據(jù)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(fā)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(xiàn)超高抗疲勞水凝膠 Science Advances, 5: eaau8528 (2019)

· 首次系統(tǒng)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(jié) （tough adhesion）的機理并實現(xiàn)與各種材料的超韌粘結(jié) 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(xiàn)不干水凝膠 (anti-dehydration hydrogel) Nature Communications, 7, 12028 (2016)

· 首次系統(tǒng)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(jié)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(jiān)測核心體征 Nature Communications, DOI: 10.1038/s41467-019-08355-2

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

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

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

· 首次實現(xiàn)各種醫(yī)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(xiàn)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(wěn)得到人工粘膜 Proceedings of the National Academy of Sciences, 115, 7503 (2018)

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