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MIT-哈佛醫(yī)學(xué)院《Nat. Rev. Mater.》綜述：定義電子黏膜
2022-09-15  來源：高分子科技

  黏膜（mucosa）作為覆蓋消化道、呼吸道、生殖道和泌尿道的重要器官組織，是人體內(nèi)部與外界環(huán)境之間物質(zhì)和能量交換的首要屏障。黏膜總面積約為皮膚面積的200倍，其攜帶的生理信息和疾病診斷價值遠超后者。此外，黏膜還是人體口服藥物的首要吸收器官，目前占到全人類用藥總量的90%以上。然而，當(dāng)前針對黏膜的無縫、長期穩(wěn)定、安全的監(jiān)測手段十分匱乏。


  與之形成鮮明對比, 近年來電子皮膚（skin-interfacing electronics）或可穿戴電子（wearable electronics）等研究領(lǐng)域發(fā)展迅速。經(jīng)過幾個世紀、數(shù)以萬計科研工作者的不懈努力，電子皮膚已經(jīng)開始走出實驗室，并逐漸具備了取代傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護設(shè)備進行連續(xù)、無創(chuàng)、居家式醫(yī)療檢測的潛力。這方面杰出的例子包括美國西北大學(xué)John Rogers院士團隊開發(fā)的針對早產(chǎn)兒脆弱皮膚設(shè)計的超柔性、無線電子皮膚貼片（已創(chuàng)辦公司）；和美國加州理工學(xué)院Wei Gao教授團隊開發(fā)的可實時、無線監(jiān)控人體汗液中各項生化指標的集成式柔性電化學(xué)傳感器，并已臨床應(yīng)用于痛風(fēng)、傷口愈合等疾病的監(jiān)護。


  鑒于此，來自美國麻省理工學(xué)院和哈佛大學(xué)醫(yī)學(xué)院布萊根女子醫(yī)院的研究團隊在Nature Reviews Materials（IF = 76.7）發(fā)表長篇綜述文章，首次提出并定義了電子黏膜（mucosa-interfacing electronics）的概念（圖1），討論了受電子皮膚啟發(fā)的，電子黏膜技術(shù)發(fā)展機遇與挑戰(zhàn)。在綜述中，團隊首先闡述了黏膜上七類主要生理信號的重要性及其與不同疾病的關(guān)聯(lián)性，其次比較了電子黏膜與電子皮膚的技術(shù)難點并總結(jié)了最新進展，最后提出了對于電子黏膜技術(shù)未來發(fā)展的愿景。MIT博士后研究員南科望、Vivian Feig和應(yīng)斌斌為本文共同第一作者。MIT機械系助理教授Giovanni Traverso擔(dān)任本文通訊作者。 


圖1：電子黏膜（mucosa-interfacing electronics）的概念。


  電子黏膜相較于電子皮膚，難點在哪里？團隊提出了以下硬件技術(shù)挑戰(zhàn)，分別為：1.黏膜的彈性模量是皮膚的1/500，對器件的柔性要求更高；2. 黏膜所處的化學(xué)環(huán)境較皮膚更為潮濕、酸度高、腐蝕性強，對器件的封裝性能、抗生物污垢性能要求更高；3. 黏膜上皮細胞更新速率為皮膚上皮細胞的15-30倍，且處于長期機械蠕動，對電子-組織界面的穩(wěn)定性要求更高；4. 相較于皮膚，黏膜處于身體深處，因此需要開發(fā)相應(yīng)的器件精準投遞、安全駐留和移除策略；诖，團隊歸納總結(jié)了相較于目前已有電子皮膚技術(shù)，電子黏膜仍需取得突破的七大關(guān)鍵技術(shù)，即為封裝（encapsulation）、移除（removal）、電子-組織界面（sensor-tissue interface）、定位（localization）、駐留（retention）、供能（powering）和通訊（communication）。（圖2） 


圖2：電子黏膜需取得突破的七大關(guān)鍵技術(shù)。


  電子黏膜器件如何在體內(nèi)黏膜上形成無縫、安全、穩(wěn)定的信號傳輸界面（sensor-tissue interface）是一大難點。電子器件與黏膜在機械模量、電學(xué)耦合、和界面能量等方面的不匹配，使得當(dāng)前電子黏膜器件無法實現(xiàn)穩(wěn)定有效的貼合，且生成的電學(xué)信號噪聲較大。團隊總結(jié)并討論了目前有希望實現(xiàn)優(yōu)良電子-黏膜界面的方法和思路， 如基于結(jié)構(gòu)工程學(xué)原理的可延展島-橋（island-bridge）結(jié)構(gòu)、具有自相似性的蛇形導(dǎo)體、受折紙剪紙工藝啟發(fā)的電路構(gòu)型；及基于材料工程學(xué)原理的可拉伸、低模量有機電子材料、基于導(dǎo)電水凝膠的電學(xué)傳感界面等。（圖3）


 圖3：基于結(jié)構(gòu)工程原理和材料工程學(xué)原理的有希望實現(xiàn)優(yōu)良電子-黏膜界面的方法和思路。


  電子黏膜器件如何在體內(nèi)黏膜上的駐留（retention）是另一大難點。消化道機械蠕動、黏膜上皮細胞更新快等因素使得當(dāng)前可吞服電子器件在體內(nèi)的駐留一般不超過48小時，這給在黏膜上實現(xiàn)和電子皮膚類似的長達數(shù)周甚至數(shù)月的生理信號連續(xù)監(jiān)控帶來了很大挑戰(zhàn)。團隊總結(jié)并討論了在不同尺度下（微米級-厘米級），目前較為有希望實現(xiàn)電子黏膜長期駐留的方法及策略，如黏膜粘附材料、受海洋生物啟發(fā)的三維微結(jié)構(gòu)表面、電磁場粘貼、微型抓手、微針等（圖4）。


 圖4：電子黏膜實現(xiàn)長期體內(nèi)駐留的策略。


  最后，團隊對電子黏膜未來的發(fā)展趨勢提出了自己的見解。首先，團隊認為電子黏膜的初代商業(yè)化應(yīng)用場景應(yīng)與電子皮膚類似，即為快速疾病診斷（如消化道蠕動異常）或運動員、戰(zhàn)士的健康指標追蹤。此外，電子黏膜的一大應(yīng)用前景為檢測消化道菌群和神經(jīng)活動的關(guān)聯(lián)，一方面為腦-腸軸（brain-gut axis）基礎(chǔ)研究提供工具，另一方面實現(xiàn)對神經(jīng)退行性疾病（如阿茲海默、帕金森證）的確診和早期篩查。同時，電子黏膜對于疾病治療有著重要意義，因為目前超過90%的藥物是通過口服的方式經(jīng)由黏膜遞送。結(jié)合一系列體積、功耗不斷減小的微納電控藥物遞送裝置或光電刺激裝置，電子黏膜有潛力實現(xiàn)長期、可控、閉環(huán)（closed-loop）的新一代藥物遞送模式。最后，隨著人體內(nèi)、外傳感器數(shù)量的不斷增多，傳感器數(shù)據(jù)的全自動、并行處理會變得愈發(fā)重要。與電子皮膚類似，一些基于機器學(xué)習(xí)和人工智能的算法可以用于數(shù)據(jù)的降噪和多線程自動化處理。


  論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41578-022-00477-2


作者介紹：


  南科望博士，2022年底將加入浙江大學(xué)藥學(xué)院，任博士生導(dǎo)師，入選浙大“新百人計劃”。2019年至今先后在美國哈佛大學(xué)生物工程系、麻省理工學(xué)院機械工程和哈佛醫(yī)學(xué)院附屬布萊根婦女醫(yī)院從事研究工作，師從美國四院院士Robert S. Langer教授和Giovanni Traverso教授。2018年博士畢業(yè)于美國伊利諾伊大學(xué)香檳分校機械工程系，師從美國四院院士John A. Rogers教授。2014年本科畢業(yè)于美國萊斯大學(xué)材料工程系。主要研究方向包括柔性電子器件、類器官芯片、生物醫(yī)療傳感器、智能電子藥物等。相關(guān)工作以一作或通訊身份在Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Nature Reviews Materials、Science Advances等國際知名期刊發(fā)表，總被引超過2500次。課題組現(xiàn)招收博士后1-2名，2022年底開始，有意者請發(fā)郵件至：kewang.nan@gmail.com。


  應(yīng)斌斌博士，目前在麻省理工學(xué)院機械工程和哈佛醫(yī)學(xué)院布萊根婦女醫(yī)院Giovanni Traverso教授和Robert Langer教授聯(lián)合課題組從事博士后研究。2020年于加拿大麥吉爾大學(xué)獲得機械工程博士學(xué)位，并于2018年至2020年期間在多倫多大學(xué)機械系進行學(xué)術(shù)訪問。目前主要研究方向為可食用電子, 軟材料和軟體機器人，及其在腸胃道中的生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用。相關(guān)科研成果發(fā)表在電子、材料和機器人領(lǐng)域國際權(quán)威期刊和會議，其中包括Nature Reviews Materials, Advanced Functional Materials, Materials Horizons, Lab on a Chip和IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA)等。曾獲得加拿大NSERC 博士后獎學(xué)金，國家優(yōu)秀自費留學(xué)生獎學(xué)金, 2020 Materials Horizons 最杰出論文獎等。

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（責(zé)任編輯：xu）
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