麻省理工学院：可摄入的医疗器械可以用光分解

2020年1月17日，安妮·特拉顿|麻省理工学院新闻办公室发布文章称，多种医疗器械可以插入胃肠道，用于治疗、诊断或监测胃肠疾病。

一旦他们的工作完成，其中许多必须通过内窥镜手术切除。然而，麻省理工学院的工程师们现在已经想出了一种方法，当这些设备暴露在可吸收发光二极管的光线下时，可以触发它们在体内分解。

新方法基于研究者设计的光敏水凝胶。研究人员说，将这种材料加入医疗器械可以避免许多内窥镜检查过程，并且当不再需要或者器械功能不正常时，可以给医生提供一种更快、更容易的移除器械的方法。

“我们正在开发一套可以驻留在胃肠道的系统，作为其中的一部分，我们正在寻找不同的方法来触发胃肠道内设备的拆卸，而不需要一个主要的程序，”该研究的资深作者、机械工程助理教授乔瓦尼·特拉弗斯(Giovanni Traverso)说。

在一项对猪的研究中，研究人员显示，用这种光敏水凝胶制成的装置在暴露于小发光二极管发出的蓝光或紫外光后，会被触发分解。

麻省理工学院科赫综合癌症研究所的博士后里图·拉曼是这篇论文的主要作者，这篇论文发表于今天科学进步。这篇论文的其他作者是前技术助理蒂芙尼华，周建林，蒂娜埃斯凡迪亚和万斯苏亚雷斯；技术助理德克兰·格温、乔伊·柯林斯和西达塔·塔曼；研究生Simo Pajovic比较医学兽医艾莉森·海沃德处；和大卫·科赫研究所罗伯特·兰格教授。

受控击穿

在过去的几年里，特拉弗斯和兰格开发了许多可摄入的装置，这些装置被设计成能在胃肠道中长时间停留。他们还研究了各种策略来控制这类设备的故障，包括基于酸碱度或温度变化或暴露于某些化学物质的方法。

特拉弗斯说:“考虑到我们对开发能够在胃肠道中长时间存在的系统的兴趣，我们继续研究一系列方法，以便在出现不良反应或不再需要这些系统时，促进这些系统的移除。”。“我们真正关注的是不同的触发器及其性能，以及我们能否将它们应用于不同的设置。”

在这项研究中，研究人员探索了一种基于光的触发器，他们认为这种触发器比他们早期的方法有一些优势。一个潜在的优势是光可以在远处起作用，不需要与被分解的物质直接接触。此外，光线通常不会穿透胃肠道，因此不存在意外触发的可能性。

为了创造新材料，拉曼基于克里斯蒂·安西(Kristi Anseth)实验室开发的材料设计了一种光敏水凝胶，她曾是兰格实验室的博士后，现在是博尔德科罗拉多大学的化学和生物工程教授。这种聚合物凝胶包含一个化学键，当暴露在波长在405到365纳米(蓝色到紫外线)之间的光线下时，化学键会断裂。

拉曼决定不制造完全由光敏聚合物组成的材料，而是用它来连接更强的成分，如聚丙烯酰胺。这使得整体材料更耐用，但当暴露在合适波长的光线下时，仍然允许其断裂或变弱。她还将这种材料构建成“双重网络”，其中一个聚合物网络包围另一个。

“你在形成一个聚合物网络，然后在它周围形成另一个聚合物网络，所以它真的是纠缠在一起的。这使得它非常坚韧和有弹性，”拉曼说。

这种材料的性质可以通过改变凝胶的成分来调节。当光敏连接体在材料中所占比例较高时，它对光的响应更快，但机械强度也更弱。研究人员还可以通过使用不同波长的光来控制分解这种物质需要多长时间。蓝光工作更慢，但对紫外线损伤敏感的细胞风险更小。

被光放气

凝胶及其分解产物是生物相容的，并且凝胶可以容易地模制成各种形状。在这项研究中，研究人员用它展示了两种可能的应用:减肥气球的密封和食道支架。标准减肥气球，有时用来帮助治疗肥胖，在病人的胃里充气并充入盐水。大约六个月后，通过内窥镜手术取出气球。

相比之下，麻省理工学院团队设计的减肥气球可以通过将密封物暴露在微小的发光二极管光线下而放气，原则上，发光二极管光线会被吞下，然后从体内排出。他们的气球是由乳胶制成的，里面装满了聚丙烯酸钠，聚丙烯酸钠可以吸水。在这项研究中，研究人员在猪身上测试了气球，发现气球一放在胃里就会膨胀。当一个发射蓝光的小型可吸收发光二极管放在胃里大约六个小时后，气球慢慢放气。用更高功率的灯，材料在30分钟内分解。

研究人员还将光敏凝胶模制成食道支架。这种支架有时用于帮助治疗食道癌或其他导致食管狭窄的疾病。当不再需要时，光触发型可以被分解并通过消化道。

据研究人员称，除了这两种应用，这种方法还可以用于制造其他种类的可降解装置，如用于将药物输送到胃肠道的载体。

特拉弗斯说:“这项研究证明了我们可以创造这种材料的概念，现在我们正在考虑它的最佳应用。”。

这项研究由美国国立卫生研究院、比尔及梅林达·盖茨基金会、国家癌症研究所科赫研究所支持(核心)赠款和美国科学研究协会的美国欧莱雅妇女研究金资助。