混合水凝胶-磁性驱动胶囊用于自动肠道微生物采样

学术背景

肠道微生物群由大量且多样的微生物组成，这些微生物对人体健康有着重要影响，例如癌症、糖尿病和炎症性肠病（IBD）等。目前研究肠道微生物的方法主要包括粪便采样、回肠造口术或结肠镜检查。然而，这些方法存在各种问题：粪便采样无法提供特定肠段的微生物群信息；回肠造口术和结肠镜检查则高度侵入。因此，需要一种非侵入式的、能够在小肠内进行目标采样的工具。

近年来，可吞咽胶囊成为一种解决方案。在进行目标采样的同时，这些胶囊也具备药物递送、组织活检和主动运动等功能。然而，现有的液体采样胶囊仍然面临尺寸限制和复杂度高的问题。有效实现自动采样并具备主动运动的胶囊设计依然稀缺。

研究来源

本文由Yung P. Lai、Taeyoung Lee、Daniel Sieben、Lyle Gauthier、Jaekwang Nam、以及Eric Diller（IEEE高级会员）合作撰写，发表在《IEEE Transactions on Biomedical Engineering》上，接受日期为2024年5月7日。本研究部分由加拿大自然科学和工程研究理事会资助（资助号：RGPIN-2020-04551）。作者分别来自多伦多大学机械与工业工程系、机器人研究所、生物医学工程研究所及南韩广元大学。

研究详述

研究流程

该研究设计出两种不同的胶囊设计（设计A：采样体积31 µl，尺寸8 mm × 19 mm；设计B：采样体积41 µl，尺寸8 mm × 21 mm）。胶囊体将采用两种不同的机制：

1. pH响应水凝胶触发采样：当环境pH值超过6时，水凝胶自动触发液体采样。
2. 活动运动机制：通过外部旋转磁场实现胶囊的主动运动。

具体流程如下：

设计与制造： - 胶囊体由上下两部分组成，上部包含磁铁锁、pH响应水凝胶、滑动组件和两个小立方体弹簧磁铁。下部包含模具星30 o形环密封、活塞磁铁、采样室盖、采样室和激活磁铁。

实验验证： - 胶囊在模拟胃液(pH = 1.2)和模拟肠液(pH = 6.8)中测试自动采样功能。 - 应用外部旋转磁场测试主动运动能力。 - 密封测试以演示样本污染控制效果。

主要实验结果

1. 自动采样与pH响应验证：

   • 在模拟肠液中，水凝胶触发采样速度快，实现样本自动采集，设计A在6-15小时内完成采样，设计B在15.2小时完成采样。
   • 采样机制通过滑动活塞样本腔实现采样，由水凝胶膨胀推导，胶囊体通过磁力滑动来完成打开-采样-关闭的全过程。

2. 主动运动功能：

   • 外部旋转磁场（磁场强度<10 mT）驱动下，胶囊可实现旋转、滚动和翻滚模式的运动。其中，旋转运动在管道中实现，滚动运动在开放环境中实现，翻滚运动则在管壁限制下实现。

3. 密封性能：

   • 比较了水封和油封在静态下的性能，结果显示油封对样本污染的防护效果更佳。
   • 测试结果表明胶囊的初始和最终密封压力均高于正常成人的腹内压，显示出良好的密封性能。

研究结论

该研究提出了一种创新的混合水凝胶-磁体驱动胶囊设计，具备以下特点： - 自动采样能力：利用pH响应水凝胶，在无需外部激活的情况下自动触发采样。 - 主动运动功能：通过外部旋转磁场实现多种运动模式，提高了胶囊在肠道中的移动能力。 - 优良的密封性能：采用油封方案，有效避免样本污染，确保样本采集的完整性。

研究意义和价值

这项研究在多个方面具有重要的科学和应用价值。首先，它提供了一种更为精确、非侵入式的肠道微生物采样方法，有望大幅改进目前的肠道微生物研究技术。其次，这种胶囊的多功能性和紧凑设计使其在临床应用中具备广泛的潜力，特别是在营养吸收和慢性疾病监测领域。此外，这种设计还降低了对复杂外部控制和引导的需求，提高了操作的简便性。 本研究不仅在胶囊设计和运行机制方面带来了创新性突破，更为未来的医疗器械开发提供了宝贵的参考，并有望推动肠道微生物研究领域的发展。