创新背景

可食用电子产品是监测重要生理状况和生物标志物的一个新兴领域。

传统的可食用电子产品多是基于金属、陶瓷、玻璃、塑料等非生物友好型材料制成的，它们比人体消化道坚硬许多倍，因此也会给患者带来许多痛苦和不便。不仅如此，现有的可食用电子产品往往受限于肠胃运转时间，最多只能在肠道内滞留一两天，无法做到长期的监测。因此研究人员开始致力于寻找一种可食用，且能够在胃部长时间滞留的电子监测产品。

创新过程

麻省理工学院的工程师们设计了一种可食用的、类似果冻的药丸，它一到达胃部，就会迅速膨胀成一个软软的乒乓球大小，大到足以在胃部停留很长一段时间。该研究成果发表在《自然通讯》杂志上。

这种新药丸由两种水凝胶制成——聚合物和水的混合物，类似于果冻的稠度。这种组合使药片在胃中迅速膨胀，同时不受胃中翻腾的酸性环境的影响。基于水凝胶的设计使得药丸更柔软，更具有生物相容性，比目前的可食用传感器更持久。目前的可食用传感器要么只能在胃里停留几天，要么由硬塑料或金属制成，比胃肠道的硬度高几个数量级。

研究团队在这种充气药丸内嵌了一个传感器，实验表明该药丸可以连续跟踪胃部温度长达30天。如果药片需要从胃里取出来，病人可以喝一种钙溶液，使药片迅速缩小到原来的大小，安全地排出体外。

灵感来源于河豚的水凝胶药丸

这种新型充气药丸的设计灵感来自河豚的防御机制。河豚通常是行动缓慢的物种，当受到威胁时，它们会迅速膨胀，就像带刺的气球。它通过快速吸进大量的水来做到这一点。

河豚坚韧的、快速膨胀的身体正是研究人员想要以水凝胶形式复制的。该团队一直在尝试设计一种水凝胶药丸，可以携带传感器进入胃部，并停留在那里，以监测生命体征或疾病状态，例如，相对较长一段时间。

他们意识到，如果药片小到可以吞下并通过食道，那么它也会小到可以通过一个被称为幽门的开口流出胃。为了防止它从胃中流出，研究小组必须设计出能迅速膨胀到乒乓球大小的药片。

以往，研究人员在设计这些高膨胀凝胶时，通常使用扩散法，让水逐渐扩散到水凝胶网络中，但膨胀到乒乓球的大小需要几个小时，甚至几天。这比胃排空的时间还长。因此研究人员转而寻找另一种设计水凝胶药丸的方法，这种药丸可以膨胀得更快，膨胀速度可以与受惊的河豚相似。

柔软且坚韧的监测器

他们最终实现的设计类似于一个由两种水凝胶材料制成的小型果冻胶囊。内部材料含有聚丙烯酸钠，这是一种高吸水性颗粒，用于尿布等商业产品，因为它们能迅速吸收液体并膨胀。

然而，研究人员意识到，如果药片只由这些颗粒制成，它会立即分解，并以单独的珠子的形式排出胃外。因此，他们设计了第二层具有保护作用的水凝胶层来封装快速膨胀的颗粒。这种外膜是由大量纳米级的晶体链构成的，每一条链都折叠在另一条链上，形成一种几乎无法穿透的阻塞模式——这是研究人员在早前的一篇论文中报告的“抗疲劳”特征。

这种方法使得水凝胶非常坚固，同时又非常柔软，因为必须穿过许多晶体结构域才能打破这层膜。

在实验室里，研究人员将药片浸泡在各种水和类似胃液的液体溶液中，发现药丸在大约15分钟内膨胀到原来的100倍，比现有的可膨胀水凝胶快得多。这种药片一旦膨胀，就像豆腐或果冻一样柔软，但却出奇地坚固。

为了测试药片的韧性，研究人员机械地挤压了它数千次，其压力甚至大于药片在胃里的常规收缩。

研究人员进一步确定，钙离子溶液的浓度高于牛奶，可以缩小肿胀的颗粒。这就导致药片泄气，排出胃外。

最后，研究团队将小型商用温度传感器嵌入到几片药片中，并将这些药片喂给猪，这些猪的胃和胃肠道与人类非常相似。研究小组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变化的温度测量值。他们发现，这种传感器能够准确地跟踪动物长达30天的日常活动模式。

创新价值

研究团队开发的这种生物兼容、软硬兼施的凝胶可食用设备，极大地拓展了可食用电子产品的领域。在未来，这种药片可能会安全地向胃部输送许多不同的传感器，以监测pH值水平，或某些细菌或病毒的迹象。还可以在药片中嵌入微型摄像头，对肿瘤或溃疡的进展进行几周的成像。

这种药片也可以作为一种更安全、更舒适的胃球囊减肥法的替代品。胃球囊减肥法是一种控制饮食的方法，通过内窥镜将一个球囊穿过病人的食道，进入胃部。利用这项设计，患者就不需要经历一个痛苦的过程来植入一个坚硬的气球，也许可以吃几片这样的药片来填饱肚子，减轻体重。

我们可以预料，这种水凝胶装置在未来还有许多可能性。