Nat,Biomed,Eng：重大突破！科学家开发出下一代胃酸驱动的可服用设备

2017年2月13日/生物谷BIOON/---根据一项新的研究，研究人员开发出一种利用铜电极和锌电极从胃酸中收集能量的可服用设备（ingestible device），即一种可服用的电子胶囊。鉴于猪的胃肠道类似于人，他们在猪模式系统中测试了这种电子胶囊。他们发现它能够在猪体内长达一周地从胃酸中收集能量。相关研究结果于2017年2月6日在线发表在Nature Biomedical Engineering期刊上，论文标题为“Prolonged energy harvesting for ingestible devices”。

论文共同通信作者、美国布莱根妇女医院研究员Giovanni Traverso说，这项研究证实“在数天内从走动的可食用的大型动物体内收集能量是可行的”。

这种设备收集的能量足以将来自内置的温度传感器的测量结果传送给离这些动物几米远的接收器。论文第一作者、美国麻省理工学院研究员Phillip Nadeau解释道，“我们能够获得较为一致的能量，所获得的能量足以在几分钟内驱动温度传感器进行温度测量，并且无线地传送测量结果。”

这种电子胶囊能够在平均六天内利用胃酸产生能量。这一时间比之前开发的能够在几分钟或几小时内收集能量的设备长很多。一些早前开发的可服用电子设备使用镁阳极，但是在这项新的研究中，Traverso及其团队发现锌阳极不那么快地溶解，这使得锌更适合长期使用。

这些研究人员证实这种可服用设备不仅能够在高度酸性的胃部中收集能量，而且也能够在小肠中收集少量能量。小肠的pH值更接近于中性。他们利用这种可服用设备测量了在胃部和小肠中获得的能量，这应当有助人们改进未来的可服用电子设备。

美国亚利桑那州立大学研究员Hanqing Jiang（未参与这项研究）告诉《科学家》杂志，“这是一项非常吸引人的研究。锌能够与酸溶液和碱溶液发生反应，因此在这两种环境下，锌能够产生电力。”

Jiang补充道，在这种电子胶囊中，锌阳极和铜阴极自由地接触胃酸，设计这种电子胶囊也是有优势的，这是因为没有发生泄漏的危险。他解释道，“通常而言，如果有一节电池在你体内，那么你不得不利用某些惰性的材料包装这节电池，这些材料将它的两个电极和内部的电解液加以密封。”在这种情形下，“可能潜在地发生电解液泄露到人体液中，这是非常有害或有毒的。”

这些研究人员利用市场上可买到的零件构建出这种可服用设备。这种设备是一种相对较大的电子胶囊，大约有一节AAA电池那么大。

Nadeau说，“我认为没有人想吞服”长3.5厘米、直径1.2厘米的胶囊，“它是一个大的药丸，因此第一步明显是小型化”。

美国卡内基梅隆大学研究员Christopher Bettinger（未参与这项研究）说，“设计这类设备的一个常见的问题是小型化和实用性之间存在冲突。”

在当前的这项研究中，这些研究人员证实这种可服用设备能够利用在一种体外系统中收集的能量触发药物运送。Bettinger说，基于能够装载的药物数量，利用小型设备运送药物也面临着挑战。他注意到，“微型电子设备能够变得越来越小，但是对于能够制造多小的电池，存在着热动力学上的限制。”

Nadeau说，制造更小的胶囊在短期是可实现的，而且当前在胃肠道不同部分中获得的电势能测量值将会为这一设计提供信息。

Traverso告诉《科学家》杂志，一个相关的研究方向是“尝试着进一步改进和优化未来的电子系统以便真正地最大化收集能量。”他说，这些研究人员也将进一步探究这些胶囊的安全性。

未来的研究的另一个目标是设计不同类型的传感器，比如用于pH和血压检测。具有更加复杂的检测能力的胶囊可能具有重要的健康意义。

美国塔夫斯大学研究员Sameer Sonkusale（未参与这项研究）说，“胃溃疡会发生癌变，因此，如果你将能够监控肠壁发生情形的传感器放入其中，那么你可能能够阻止胃溃疡变成肿瘤，并且采取预防性措施。”

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