Ufordøjelig, ekspanderende pille overvåger maven i op til en måned

MIT ingeniører har designet en indtagelig, Jell-O-lignende pille, ved at nå maven, hurtigt svulmer op til størrelsen af ​​en blød, squishy ping-pong bold stor nok til at blive i maven i en længere periode.

Den oppustelige pille er integreret med en sensor, der løbende sporer maves temperatur i op til 30 dage. Hvis pillen skal fjernes fra maven, en patient kan drikke en opløsning af calcium, der får pillen til hurtigt at skrumpe til sin oprindelige størrelse og passere sikkert ud af kroppen.

Den nye pille er lavet af to typer hydrogeler-blandinger af polymerer og vand, der ligner konsistensen af ​​Jell-O. Kombinationen gør det muligt for pillen hurtigt at svulme op i maven, mens den forbliver uigennemtrængelig for mavens kvælende sure miljø.

Det hydrogelbaserede design er blødere, mere biokompatibel, og længerevarende end nuværende indtagelige sensorer, som enten kun kan blive i maven i et par dage, eller er fremstillet af hård plast eller metaller, der er størrelsesordener stivere end mave -tarmkanalen.

"Drømmen er at have en Jell-O-lignende smart pille, der en gang slugt forbliver i maven og overvåger patientens helbred i lang tid, f.eks. en måned, "siger Xuanhe Zhao, lektor i maskinteknik på MIT.

Zhao og senior samarbejdspartner Giovanni Traverso, en gæsteforsker, der vil slutte sig til MIT -fakultetet i 2019, sammen med hovedforfattere Xinyue Liu, Christoph Steiger, og Shaoting Lin, har offentliggjort deres resultater i Naturkommunikation .

Piller, bordtennis, og pufferfish

Designet til den nye oppustelige pille er inspireret af pufferfishs forsvarsmekanismer, eller blowfish. Normalt en art med langsom bevægelse, pufferfish vil hurtigt puste op, når den er truet, som en pigget ballon. Det gør det ved at suge i en stor mængde vand, hurtig.

Pufferen er hård, hurtig oppustelig krop var præcis, hvad Zhao var på udkig efter at replikere i hydrogelform. Teamet havde ledt efter måder at designe en hydrogelbaseret pille til at bære sensorer i maven og blive der for at overvåge, for eksempel, vitale tegn eller sygdomstilstande i en relativt lang periode.

De indså, at hvis en pille var lille nok til at blive slugt og ført ned i spiserøret, det ville også være lille nok til at passere ud af maven, gennem en åbning kendt som pylorus. For at forhindre den i at forlade maven, gruppen skulle designe pillen for hurtigt at svulme op til størrelsen af ​​en bordtennisbold.

"I øjeblikket, når folk forsøger at designe disse stærkt svulmende geler, de bruger normalt diffusion, lade vand gradvist diffundere ind i hydrogelnetværket, "Liu siger." Men at svulme op til en pingpongbolds størrelse tager timer, eller endda dage. Det er længere end tømningstiden for maven. "

Forskerne søgte i stedet efter måder at designe en hydrogelpille, der kunne puste meget hurtigere op, med en hastighed, der kan sammenlignes med den for en forskrækket pufferfish.

En indtagelig tracker

Det design, de i sidste ende landede på, ligner et lille, Jell-O-lignende kapsel, lavet af to hydrogelmaterialer. Det indre materiale indeholder natriumpolyacrylat - superabsorberende partikler, der bruges i kommercielle produkter som bleer for deres evne til hurtigt at opsuge væske og oppustes.

Forskerne indså, imidlertid, at hvis pillen kun var lavet af disse partikler, det ville straks gå i stykker og gå ud af maven som individuelle perler. Så de designede et sekund, beskyttende hydrogel lag til at indkapsle de hurtigt hævede partikler. Denne ydre membran er lavet af et væld af nanoskopiske, krystallinske kæder, hver foldet over en anden, i en næsten uigennemtrængelig, gridlock mønster.

"Du bliver nødt til at knække gennem mange krystallinske domæner for at bryde denne membran, "Lin siger." Det er det, der gør denne hydrogel ekstremt robust, og på samme tid, blød."

I laboratoriet, forskerne dunkede pillen i forskellige løsninger af vand og væske, der lignede mavesaft, og fandt pillen oppustet til 100 gange sin oprindelige størrelse på cirka 15 minutter - meget hurtigere end eksisterende svulmelige hydrogeler. Når den er oppustet, Zhao siger, at pillen handler om blødheden af ​​tofu eller Jell-O, alligevel overraskende stærk.

For at teste pillens sejhed, forskerne pressede det mekanisk tusinder af gange, ved kræfter, der er endnu større, end hvad pillen ville opleve ved regelmæssige sammentrækninger i maven.

"Maven anvender tusinder af millioner af belastninger for at male mad ned, "Lin forklarer." Og vi fandt ud af, at selv når vi laver et lille snit i membranen, og stræk og klem det tusinder af gange, snittet vokser ikke større. Vores design er meget robust. "

Forskerne fastslog endvidere, at en opløsning af calciumioner, i en koncentration, der er højere end i mælk, kan krympe de hævede partikler. Dette får pillen til at tømmes og passere ud af maven.

Endelig, Steiger og Traverso indlejret i små, kommercielle temperatursensorer i flere piller, og fodrede pillerne til grise, som har maver og mave -tarmkanaler meget lig mennesker. Holdet hentede senere temperatursensorerne fra grisenes afføring og afbildede sensorernes temperaturmålinger over tid. De fandt ud af, at sensoren nøjagtigt kunne spore dyrenes daglige aktivitetsmønstre op til 30 dage.

Ned ad vejen, forskerne forestiller sig, at pillen sikkert kan levere en række forskellige sensorer til maven for at overvåge, for eksempel, pH -niveauer, eller tegn på visse bakterier eller vira. Små kameraer kan også være indlejret i pillerne for at forestille fremskridt med tumorer eller sår, i løbet af flere uger. Zhao siger, at pillen også kan bruges som en sikrere, mere behageligt alternativ til gastrisk ballondiet, en form for kostkontrol, hvor en ballon trækkes gennem en patients spiserør og ind i maven, ved hjælp af et endoskop.

"Med vores design, du behøver ikke at gå igennem en smertefuld proces for at implantere en stiv ballon, "Siger Zhao." Måske kan du tage et par af disse piller i stedet, for at hjælpe med at fylde din mave, og tabe sig. Vi ser mange muligheder for denne hydrogel -enhed. "