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

關(guān)鍵詞：電子黏膜電子皮膚有機(jī)電子導(dǎo)電水凝膠電學(xué)傳感

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(jià)值遠(yuǎn)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(duì)黏膜的無縫、長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全的監(jiān)測(cè)手段十分匱乏。

與之形成鮮明對(duì)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(gè)世紀(jì)、數(shù)以萬(wàn)計(jì)科研工作者的不懈努力，電子皮膚已經(jīng)開始走出實(shí)驗(yàn)室，并逐漸具備了取代傳統(tǒng)醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備進(jìn)行連續(xù)、無創(chuàng)、居家式醫(yī)療檢測(cè)的潛力。這方面杰出的例子包括美國(guó)西北大學(xué)John Rogers院士團(tuán)隊(duì)開發(fā)的針對(duì)早產(chǎn)兒脆弱皮膚設(shè)計(jì)的超柔性、無線電子皮膚貼片（已創(chuàng)辦公司）；和美國(guó)加州理工學(xué)院Wei Gao教授團(tuán)隊(duì)開發(fā)的可實(shí)時(shí)、無線監(jiān)控人體汗液中各項(xiàng)生化指標(biāo)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(hù)。

鑒于此，來自美國(guó)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(tuán)隊(duì)在Nature Reviews Materials（IF = 76.7）發(fā)表長(zhǎng)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(jī)遇與挑戰(zhàn)。在綜述中，團(tuán)隊(duì)首先闡述了黏膜上七類主要生理信號(hào)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(diǎn)并總結(jié)了最新進(jìn)展，最后提出了對(duì)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(jī)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(diǎn)在哪里？團(tuán)隊(duì)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(duì)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(qiáng)，對(duì)器件的封裝性能、抗生物污垢性能要求更高；3. 黏膜上皮細(xì)胞更新速率為皮膚上皮細(xì)胞的15-30倍，且處于長(zhǎng)期機(jī)械蠕動(dòng)，對(duì)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(zhǔn)投遞、安全駐留和移除策略。基于此，團(tuán)隊(duì)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(hào)傳輸界面（sensor-tissue interface）是一大難點(diǎn)。電子器件與黏膜在機(jī)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(shí)現(xiàn)穩(wěn)定有效的貼合，且生成的電學(xué)信號(hào)噪聲較大。團(tuán)隊(duì)總結(jié)并討論了目前有希望實(shí)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(jī)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(shí)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(diǎn)。消化道機(jī)械蠕動(dòng)、黏膜上皮細(xì)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(shí)，這給在黏膜上實(shí)現(xiàn)和電子皮膚類似的長(zhǎng)達(dá)數(shù)周甚至數(shù)月的生理信號(hào)連續(xù)監(jiān)控帶來了很大挑戰(zhàn)。團(tuán)隊(duì)總結(jié)并討論了在不同尺度下（微米級(jí)-厘米級(jí)），目前較為有希望實(shí)現(xiàn)電子黏膜長(zhǎng)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(chǎng)粘貼、微型抓手、微針等（圖4）。

圖4：電子黏膜實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期體內(nèi)駐留的策略。

最后，團(tuán)隊(duì)對(duì)電子黏膜未來的發(fā)展趨勢(shì)提出了自己的見解。首先，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為電子黏膜的初代商業(yè)化應(yīng)用場(chǎng)景應(yīng)與電子皮膚類似，即為快速疾病診斷（如消化道蠕動(dòng)異常）或運(yùn)動(dòng)員、戰(zhàn)士的健康指標(biāo)追蹤。此外，電子黏膜的一大應(yīng)用前景為檢測(cè)消化道菌群和神經(jīng)活動(dòng)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(shí)現(xiàn)對(duì)神經(jīng)退行性疾�。ㄈ绨⑵澓Ｄ�、帕金森證）的確診和早期篩查。同時(shí)，電子黏膜對(duì)于疾病治療有著重要意義，因?yàn)槟壳俺^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(shí)現(xiàn)長(zhǎng)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(dòng)、并行處理會(huì)變得愈發(fā)重要。與電子皮膚類似，一些基于機(jī)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(dòng)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(jì)劃”。2019年至今先后在美國(guó)哈佛大學(xué)生物工程系、麻省理工學(xué)院機(jī)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(guó)四院院士Robert S. Langer教授和Giovanni Traverso教授。2018年博士畢業(yè)于美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校機(jī)械工程系，師從美國(guó)四院院士John A. Rogers教授。2014年本科畢業(yè)于美國(guó)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(guó)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(qǐng)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(jī)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(jī)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(jī)械系進(jìn)行學(xué)術(shù)訪問。目前主要研究方向?yàn)榭墒秤秒娮? 軟材料和軟體機(jī)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(jī)器人領(lǐng)域國(guó)際權(quán)威期刊和會(huì)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(jiǎng)學(xué)金，國(guó)家優(yōu)秀自費(fèi)留學(xué)生獎(jiǎng)學(xué)金, 2020 Materials Horizons 最杰出論文獎(jiǎng)等。

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（責(zé)任編輯：xu）

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