搜索:  
MIT-哈佛医学院《Nat. Rev. Mater.》综述:定义电子黏膜
2022-09-15  来源:高分子科技

  黏膜(mucosa)作为覆盖消化道、呼吸道、生殖道和泌尿道的重要器官组织,是人体内部与外界环境之间物质和能量交换的首要屏障。黏膜总面积约为皮肤面积的200倍,其携带的生理信息和疾病诊断价值远超后者。此外,黏膜还是人体口服药物的首要吸收器官,目前占到全人类用药总量的90%以上。然而,当前针对黏膜的无缝、长期稳定、安全的监测手段十分匮乏。


  与之形成鲜明对比, 近年来电子皮肤(skin-interfacing electronics)或可穿戴电子(wearable electronics)等研究领域发展迅速。经过几个世纪、数以万计科研工作者的不懈努力,电子皮肤已经开始走出实验室,并逐渐具备了取代传统医疗监护设备进行连续、无创、居家式医疗检测的潜力。这方面杰出的例子包括美国西北大学John Rogers院士团队开发的针对早产儿脆弱皮肤设计的超柔性、无线电子皮肤贴片(已创办公司);和美国加州理工学院Wei Gao教授团队开发的可实时、无线监控人体汗液中各项生化指标的集成式柔性电化学传感器,并已临床应用于痛风、伤口愈合等疾病的监护。


  鉴于此,来自美国麻省理工学院和哈佛大学医学院布莱根女子医院的研究团队在Nature Reviews MaterialsI= 76.7)发表长篇综述文章,首次提出并定义了电子黏膜(mucosa-interfacing electronics)的概念(图1),讨论了受电子皮肤启发的,电子黏膜技术发展机遇与挑战。在综述中,团队首先阐述了黏膜上七类主要生理信号的重要性及其与不同疾病的关联性,其次比较了电子黏膜与电子皮肤的技术难点并总结了最新进展,最后提出了对于电子黏膜技术未来发展的愿景。MIT博士后研究员南科望Vivian Feig应斌斌为本文共同第一作者。MIT机械系助理教授Giovanni Traverso担任本文通讯作者。 


图1:电子黏膜(mucosa-interfacing electronics)的概念。


  电子黏膜相较于电子皮肤,难点在哪里?团队提出了以下硬件技术挑战,分别为:1.黏膜的弹性模量是皮肤的1/500,对器件的柔性要求更高;2黏膜所处的化学环境较皮肤更为潮湿、酸度高、腐蚀性强,对器件的封装性能、抗生物污垢性能要求更高;3黏膜上皮细胞更新速率为皮肤上皮细胞的15-30倍,且处于长期机械蠕动,对电子-组织界面的稳定性要求更高;4相较于皮肤,黏膜处于身体深处,因此需要开发相应的器件精准投递、安全驻留和移除策略。基于此,团队归纳总结了相较于目前已有电子皮肤技术,电子黏膜仍需取得突破的七大关键技术,即为封装(encapsulation)、移除(removal)、电子-组织界面(sensor-tissue interface)、定位(localization)、驻留(retention)、供能(powering)和通讯(communication)。(图2 


图2:电子黏膜需取得突破的七大关键技术。


  电子黏膜器件如何在体内黏膜上形成无缝、安全、稳定的信号传输界面(sensor-tissue interface)是一大难点。电子器件与黏膜在机械模量、电学耦合、和界面能量等方面的不匹配,使得当前电子黏膜器件无法实现稳定有效的贴合,且生成的电学信号噪声较大。团队总结并讨论了目前有希望实现优良电子-黏膜界面的方法和思路, 如基于结构工程学原理的可延展岛-桥(island-bridge)结构、具有自相似性的蛇形导体、受折纸剪纸工艺启发的电路构型;及基于材料工程学原理的可拉伸、低模量有机电子材料、基于导电水凝胶的电学传感界面等。(图3


 图3:基于结构工程原理和材料工程学原理的有希望实现优良电子-黏膜界面的方法和思路。


  电子黏膜器件如何在体内黏膜上的驻留(retention)是另一大难点。消化道机械蠕动、黏膜上皮细胞更新快等因素使得当前可吞服电子器件在体内的驻留一般不超过48小时,这给在黏膜上实现和电子皮肤类似的长达数周甚至数月的生理信号连续监控带来了很大挑战。团队总结并讨论了在不同尺度下(微米级-厘米级),目前较为有希望实现电子黏膜长期驻留的方法及策略,如黏膜粘附材料、受海洋生物启发的三维微结构表面、电磁场粘贴、微型抓手、微针等(图4)。


 图4:电子黏膜实现长期体内驻留的策略。


  最后,团队对电子黏膜未来的发展趋势提出了自己的见解。首先,团队认为电子黏膜的初代商业化应用场景应与电子皮肤类似,即为快速疾病诊断(如消化道蠕动异常)或运动员、战士的健康指标追踪。此外,电子黏膜的一大应用前景为检测消化道菌群和神经活动的关联,一方面为脑-肠轴(brain-gut axis)基础研究提供工具,另一方面实现对神经退行性疾病(如阿兹海默、帕金森证)的确诊和早期筛查。同时,电子黏膜对于疾病治疗有着重要意义,因为目前超过90%的药物是通过口服的方式经由黏膜递送。结合一系列体积、功耗不断减小的微纳电控药物递送装置或光电刺激装置,电子黏膜有潜力实现长期、可控、闭环(closed-loop)的新一代药物递送模式。最后,随着人体内、外传感器数量的不断增多,传感器数据的全自动、并行处理会变得愈发重要。与电子皮肤类似,一些基于机器学习和人工智能的算法可以用于数据的降噪和多线程自动化处理。


  论文链接:https://doi.org/10.1038/s41578-022-00477-2


作者介绍


  南科望博士,2022年底将加入浙江大学药学院,任博士生导师,入选浙大“新百人计划”。2019年至今先后在美国哈佛大学生物工程系、麻省理工学院机械工程和哈佛医学院附属布莱根妇女医院从事研究工作,师从美国四院院士Robert S. Langer教授和Giovanni Traverso教授。2018年博士毕业于美国伊利诺伊大学香槟分校机械工程系,师从美国四院院士John A. Rogers教授。2014年本科毕业于美国莱斯大学材料工程系。主要研究方向包括柔性电子器件、类器官芯片、生物医疗传感器、智能电子药物等。相关工作以一作或通讯身份在Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Nature Reviews Materials、Science Advances等国际知名期刊发表,总被引超过2500次。课题组现招收博士后1-2名,2022年底开始,有意者请发邮件至kewang.nan@gmail.com


  应斌斌博士,目前在麻省理工学院机械工程和哈佛医学院布莱根妇女医院Giovanni Traverso教授和Robert Langer教授联合课题组从事博士后研究。2020年于加拿大麦吉尔大学获得机械工程博士学位,并于2018年至2020年期间在多伦多大学机械系进行学术访问。目前主要研究方向为可食用电子, 软材料和软体机器人,及其在肠胃道中的生物医学应用。相关科研成果发表在电子、材料和机器人领域国际权威期刊和会议,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。曾获得加拿大NSERC 博士后奖学金,国家优秀自费留学生奖学金, 2020 Materials Horizons 最杰出论文奖等。

版权与免责声明:中国聚合物网原创文章。刊物或媒体如需转载,请联系邮箱:info@polymer.cn,并请注明出处。
(责任编辑:xu)
】【打印】【关闭

诚邀关注高分子科技

更多>>最新资讯
更多>>科教新闻