Мекото, гъвкаво устройство може потенциално да проследява язви, ракови заболявания и други GI състояния в дългосрочен план
Инженерите от MIT са проектирали поглъщащо се, подобно на Jell-O хапче, което при достигане до стомаха бързо набъбва до размера на мека, гъвкава топка за пинг-понг, достатъчно голяма, за да остане в стомаха за продължителен период от време.
Надуваемото хапче е вградено със сензор, който непрекъснато проследява температурата на стомаха до 30 дни. Ако хапчето трябва да бъде отстранено от стомаха, пациентът може да изпие разтвор на калций, който задейства хапчето бързо да се свие до първоначалния си размер и да премине безопасно извън тялото.
Новото хапче е направено от два вида хидрогелове - смеси от полимери и вода, които наподобяват консистенцията на Jell-O. Комбинацията позволява на хапчето бързо да набъбне в стомаха, като същевременно остане непроницаем за разклащащата се киселина в стомаха.
Дизайнът на основата на хидрогел е по-мек, по-биосъвместим и по-дълготраен от настоящите поглъщащи се сензори, които или могат да останат в стомаха само няколко дни, или са направени от твърди пластмаси или метали, които са с порядъци по-твърди от стомашно-чревния тракт.
„Мечтата е да има подобно на Jell-O интелигентно хапче, което веднъж погълнато остава в стомаха и наблюдава здравето на пациента дълго време, например месец“, казва Xuanhe Zhao, доцент по машиностроене в MIT.
Zhao и старши сътрудник Джовани Траверсо, гостуващ учен, който ще се присъедини към факултета на MIT през 2019 г., заедно с водещите автори Xinyue Liu, Christoph Steiger и Shaoting Lin, публикуват своите резултати в Nature Communications.
Хапчета, пинг-понг и риби
Дизайнът на новото надуваемо хапче е вдъхновен от защитните механизми на надутата риба. Обикновено бавно движещи се видове, риба-пуфър бързо ще се надуе, когато бъде заплашена, като балон. Това се прави чрез смучене на голямо количество вода, бързо.
Здравото, бързо надуващо се тяло на пуфъра беше точно това, което Джао искаше да повтори във вид на хидрогел. Екипът е търсил начини да проектира хапче на основата на хидрогел, което да носи сензори в стомаха и да остане там, за да наблюдава, например, жизнени показатели или болестни състояния за относително дълъг период от време.
Те осъзнаха, че ако едно хапче е достатъчно малко, за да бъде погълнато и предадено по хранопровода, то също ще бъде достатъчно малко, за да излезе от стомаха, през отвор, известен като пилорус. За да не излезе от стомаха, групата ще трябва да проектира хапчето бързо да набъбне до размера на топка за пинг-понг.
"В момента, когато хората се опитват да проектират тези силно набъбващи гелове, те обикновено използват дифузия, оставяйки водата постепенно да се дифузира в хидрогелната мрежа", казва Лиу. "Но за да набъбне до размера на топка за пинг-понг са необходими часове или дори дни. Това е по-дълго от времето за изпразване на стомаха."
Вместо това изследователите потърсиха начини да създадат хидрогелно хапче, което да може да се надуе много по-бързо, със скорост, сравнима с тази на изненаданите бухалки.
Поглъщаем тракер
Дизайнът, върху който в крайна сметка са се приземили, прилича на малка капсула, подобна на Jell-O, направена от два хидрогелни материала. Вътрешният материал съдържа натриев полиакрилат - суперабсорбиращи частици, които се използват в търговски продукти като памперси поради способността им бързо да попиват течността и да се надуват.
Изследователите обаче осъзнават, че ако хапчето е направено само от тези частици, то веднага ще се разпадне и ще излезе от стомаха като отделни мъниста. Така те проектираха втори, защитен хидрогелен слой, който да капсулира бързо набъбващите частици. Тази външна мембрана е направена от множество наноскопични, кристални вериги, всяка сгъната над друга, в почти непроницаем модел.
"Ще трябва да проникнете през много кристални домейни, за да разрушите тази мембрана", казва Лин. "Това прави този хидрогел изключително здрав и същевременно мек."
В лабораторията изследователите потапят хапчето в различни разтвори на вода и течност, наподобяващи стомашни сокове, и откриват, че хапчето се надува до 100 пъти първоначалния си размер за около 15 минути - много по-бързо от съществуващите набъбващи хидрогелове. Веднъж напомпан, Жао казва, че хапчето е за мекотата на тофу или Jell-O, но изненадващо силно.
За да проверят жилавостта на хапчето, изследователите са го изстискали механично хиляди пъти, при сили, дори по-големи от това, което хапчето би изпитало при редовни контракции в стомаха.
"Стомахът прилага хиляди на милиони цикли натоварване, за да смила храната", обяснява Лин. "И установихме, че дори когато направим малък разрез в мембраната и след това го разтегнем и изстискаме хиляди пъти, разрезът не се увеличава. Нашият дизайн е много здрав."
Освен това изследователите установяват, че разтвор на калциеви йони, при концентрация, по-висока от тази в млякото, може да свие подутите частици. Това задейства хапчето да се изпусне и да излезе от стомаха.
И накрая, Steiger и Traverso вградиха малки търговски сензори за температура в няколко хапчета и хранеха хапчетата със свине, които имат стомаси и стомашно-чревни пътища, много подобни на хората. По-късно екипът извади температурните сензори от изпражненията на свинете и начерта измерванията на температурата на сензорите с течение на времето. Те открили, че сензорът е в състояние да проследи точно моделите на ежедневна активност на животните до 30 дни.
По пътя изследователите смятат, че хапчето може безопасно да достави редица различни сензори в стомаха, за да следи например нивата на рН или признаците на някои бактерии или вируси. Малки камери също могат да бъдат вградени в хапчетата, за да изобразяват напредъка на тумори или язви в течение на няколко седмици. Джао казва, че хапчето може да се използва и като по-безопасна, по-удобна алтернатива на стомашната балонна диета, форма на диетичен контрол, при която балон се прекарва през хранопровода на пациента и в стомаха с помощта на ендоскоп.
„С нашия дизайн няма да е необходимо да преминавате през болезнен процес, за да имплантирате твърд балон“, казва Жао. "Може би вместо това можете да вземете няколко от тези хапчета, за да си напълните стомаха и да отслабнете. Виждаме много възможности за това хидрогелно устройство."
Това изследване беше подкрепено отчасти от Националната научна фондация, Националните здравни институти и Фондация Бил и Мелинда Гейтс.