AFM：用于肠道定位、驻留和诊断的磁性活性水凝胶
在过去的几十年中，已经开发出了基于电子和活细菌的技术，用于口服诊断和治疗。现有的可摄入装置的使用寿命是由胃肠（GI）渡越时间的限制。在人体中，GI传播时间通常为6至48小时。然而，对于大多数GI应用中，例如持久的生物信号的收集，延长的药物递送，和持续饮食控制，需要更长的驻留时间。胃肠道疾病的有效诊断和治疗也可能需要将可摄入的设备放置在肠道的特定位置，这种定位对于检测和治疗局部性疾病如克罗恩氏病是理想的。尽管已经提出了几种在胃肠道中定位的策略，但它们都对肠道驻留有限制。例如，已经开发出可消化的装置通过漂浮，展开或溶胀而驻留在胃肠道中，但这些方式只能应用到大容量胃脘而不是管状的结构；由膨胀的水凝胶引起的肠阻塞和由肠中的僵硬或尖锐的碎片引起的肠穿孔的风险很高。磁性材料在胃肠道手术中特别受关注，因为可以在一定距离范围内施加磁力。但是，现有的外科手术需要复杂的医疗设备来进行空间转向（例如X射线发射器，检测器和机械臂）且只能在麻醉状态下临时使用。
近期，麻省理工学院的赵选贺团队与Timothy K. Lu团队合作，在Advanced Functional Materials上发表了题为“Magnetic Living Hydrogels for Intestinal Localization, Retention, and Diagnosis”的文章，该团队开发了一种可摄入的磁性水凝胶载体，以将诊断微生物运输到特定的肠道部位。磁性活水凝胶通过将磁体附着到腹部皮肤而定位并驻留，从而抵抗肠道中的蠕动波。装置的保持力已在人体肠道模型和体内啮齿动物模型中得到验证，表明可摄入的水凝胶可将整合的活细菌维持长达7天，这可以检测出血红素在肠道恶劣环境中的胃肠道出血。通过将温度传感器集成到磁性水凝胶载体中，也证明了微电子学的保持力。
该磁性水凝胶系统由可吸收的磁性水凝胶组成，该磁性水凝胶携带可被可穿戴钕磁铁定位的诊断微生物，用于肠道中的长期疾病诊断。为了防止由于蠕动波和肠液流动引起的磁性活性水凝胶脱位，研究人员通过调整磁体尺寸来优化肠内磁性水凝胶与磁体之间的吸引力磁力。由于可摄入的水凝胶柔软而有弹性，因此符合肠道表面，从而最大程度地减少了对肠壁的组织损伤。可消化水凝胶的机械强度有助于在肠段分割过程中保持其结构完整性。可穿戴磁铁重量轻且便于携带，并能最大程度地减少组织受压。根据研究人员的理论计算，无论是啮齿动物模型还是人体模型，磁性水凝胶都能被可穿戴磁体充分驻留。研究人员验证了在人类规模的胃肠道体模中以及在自由移动的啮齿动物中（至少一周）内不会造成任何障碍的磁体辅助驻留和定位的能力。由于可摄入的水凝胶具有生物相容性，整合到软水凝胶基质中的活细菌在体外可工作7天。这些生物传感细菌在小鼠肠道中检测到实验诱导的出血。与其他需要高精度医疗设备和全面程序的系统（例如，电磁驱动位置控制）相比，磁性活体水凝胶可以延长对消化系统和邻近器官的监测和调节，并构成了一个非侵入性、可接近的平台用于细菌生物传感器和电子传感器在肠道中的定位和驻留。
图1 磁性活性水凝胶定位并驻留在肠道中的设计和机理。a）磁性活水凝胶通过腹部皮肤上的磁铁口服给药并驻留在肠中。b）水凝胶基质通过纳米晶域进行物理交联，并被NdFeB微粒增强，使其具有机械韧性。c）当磁性水凝胶驻留在肠道中时，封装在水凝胶基质中的活合成微生物会与肠道菌群发生相互作用，从而实现诸如感知和释放等生物学功能。d）肠蠕动沿肠腔推进食物团，磁性水凝胶由于可穿戴磁铁的磁性吸引而得以驻留。e）肠道分割可将食物团在肠腔内分解成碎片，而磁性水凝胶由于其机械韧性而可以保持完整。
钕铁硼磁体是硬质铁磁体，在被磁化后可以保持较高的剩余磁化强度。通过将NdFeB微粒掺入聚乙烯醇水凝胶基质中制成用于口服和驻留肠道的磁性水凝胶。磁性水凝胶通过PVA纳米晶域交联。增加钕铁硼微粒的体积分数在纳米晶体水凝胶进一步有助于更高的杨氏模量、较高的韧性和更高磁化强度的磁性水凝胶。研究人员确定磁性水凝胶中NdFeB微粒的含量为12％（体积）,磁性水凝胶的低杨氏模量可以极大地减轻肠壁上的应力集中，水凝胶的低机械刚度对于维持被包封的细菌的生存力也是必不可少的。磁性水凝胶的高韧性确保了水凝胶在肠道蠕动和分割时的结构完整性。此外，尽管肠蠕动，但高磁化强度仍可有效驻留及定位水凝胶。
大型可穿戴磁体可以产生有利于磁性水凝胶的驻留和定位的强磁场，但可能会引起一系列副作用，包括由于磁引力引起的组织损伤以及由于重磁体佩戴在身体上而导致的过载。研究人员开发了一个模型，以合理选择尺寸最佳的可穿戴磁体。该模型包括一个圆柱形的可穿戴磁体和一个圆柱形的磁性水凝胶，该凝胶位于肠道蠕动的腔中。通过理论建模，计算出的肠道推进力，摩擦力和磁力，将此标准应用于人体模型，其中磁性水凝胶与磁体的相邻表面之间的垂直距离为15 mm，将磁铁的厚度（L）固定为12.7mm，且当磁体的半径大于9 mm时，管腔中存在可以驻留水凝胶的区域。
图2 磁性活性水凝胶在肠道中的驻留和定位模型
接下来，研究人员使用带有流动液体的透明塑料管来模拟小鼠和人类小肠的几何形状和尺寸，并研究了基于远程磁引力的磁性生物水凝胶的体外驻留和定位。在人的肠中，管腔食糜运动是由沿肠壁传播的收缩波驱动的。为了模拟推进力，蠕动泵在管中产生了不同流速和粘度的流体流动，该蠕动泵对壁附近物质施加了0–10 kPa的剪切应力。流体流动带动了悬浮的磁性水凝胶的运动，使其流过整个导管。相比之下，放置在试管下方一定距离处的磁体（对于老鼠大小为2 mm，对于人类大小为15 mm）阻止了磁性水凝胶在试管中的平稳运动，并在随后的24 h中保持水凝胶静止。在与小鼠或人的小肠大小相同的试管中，磁力能够抵抗10 kPa的最大剪切应力。移除磁体后，最初驻留的水凝胶通过管向前移动。
图3 磁性活水凝胶的驻留和定位的体外验证。a）在没有任何外部磁体的情况下由肠蠕动推动的磁水凝胶运动的示意图。b）通过磁性吸引力驻留磁性水凝胶的示意图。c）磁性水凝胶在透明塑料管中的运动，该流体在没有任何外部磁体的情况下由流体流动驱动。d）将磁性水凝胶在透明塑料管中驻留24小时，并在管下方15毫米放置一个外部磁体。e）在具有和不具有外部磁体的情况下，磁性水凝胶（半径为1 mm，厚度为1 mm）在不同的流体剪切应力下在管中的运动速度与小鼠肠的尺寸相似。垂直距离为2毫米。f）磁性水凝胶的移动速度（半径10mm，尺寸与人类肠道尺寸相似的试管，在有或没有外部磁体（半径25.4毫米，厚度12.7毫米）的垂直距离为15毫米的情况下，在不同的流体剪切应力作用下的最大厚度为1毫米）。g–i）由磁性水凝胶（半径为10 mm，厚度为1 mm）和微型温度传感器组成的集成系统在模拟人体肠道的硅树脂幻影中的定位和驻留，并且将集成系统固定在g）小肠道，h）升结肠，和i）通过置于幻影上方15–30 mm的外部磁铁（半径25.4mm，厚度12.7 mm）来降结肠。j）胃肠道和三个位置（g–i）的口服水的摄入量的示意图，这些位置是在摄入水后对温度进行探测的。
为了说明磁性水凝胶在临床中的潜在用途，研究人员使用更具临床相关性的模型测试了可摄取磁性水凝胶的定位和驻留。研究人员使用了与实物大小相同的硅胶幻影，模拟了包括小肠和大肠在内的人体肠道的解剖结构。单独的磁性水凝胶无需任何导航即可自动通过人造肠。当将磁铁放在缠绕的肠模型上方的透明丙烯酸板上时，磁性水凝胶会驻留在几个不同的位置，例如小肠，升结肠和降结肠。当磁性水凝胶封装了一个微型温度传感器时，该水凝胶片被磁铁上方的小肠对应的几个不同位置有效地固定了。由于包裹有电子传感器的磁性水凝胶的总直径约为8毫米，小于人造肠的内径（小肠为15毫米，大肠为20-43毫米），因此它不会阻碍流体流动。此外，可穿戴磁体施加的强静态磁场不会影响微电子设备的温度感测和记录功能。当研究人员通过管状体模的入口注入100 mL的冷水记录了不同位置的温度变化。证明冷饮的摄入会引起温度变化，并且这些变化的大小和延迟时间取决于胃肠道中的位置。当集成传感器靠近入口时，温度下降迅速而急剧，而在下游区域则有逐渐平缓的温度波动。
图4 磁性活性水凝胶的生物相容性和功能性
为评估磁性水凝胶的化学腐蚀和细胞毒性。研究人员通过浸出液的元素分析进一步研究了磁性水凝胶中嵌入NdFeB合金的腐蚀。结果表明NdFeB颗粒上二氧化硅壳的存在将有助于最大程度地减少合金直接暴露于具有中性pH的肠道环境，从而限制腐蚀。当将磁性水凝胶与模拟胃液（pH 1.2）孵育4 h时，其在酸性溶液中会被更严重地氧化和腐蚀，但是被腐蚀的金属离子的浓度仍远低于引起毒性的口服剂量限值。
然后，研究人员使用Caco-2细胞系分析了磁性水凝胶的细胞毒性，与上述微量元素分析相似，浸出实验用于收集从磁性水凝胶在新鲜培养基中释放1-7天的化学物质。然后将Caco-2细胞暴露于含有释放的化合物的培养基中，放置2天，然后使用活/死细胞染色剂分析细胞活力。对于纯培养基（阳性对照）和暴露于磁性水凝胶和纯PVA水凝胶1至7天的培养基，细胞存活率没有显着差异。为了确定磁性水凝胶是否可以维持活细菌，并测试其体外功能，研究人员使用了工程化的大肠杆菌作为细菌血液传感器。结果显示在一周内，水凝胶中的细菌生存力保持在95％以上，并且包囊后细菌的菌落大小和密度持续增长。
建立了磁性水凝胶的体外驻留和定位后，研究人员在小鼠模型中评估了磁性水凝胶的体内肠道定位能力。磁性活水凝胶（半径为1毫米，厚1mm），小鼠通过口服给药食用磁性水凝胶。使用X射线显微断层扫描来观察随着时间的推移胃肠道中磁性水凝胶的3D空间位置。研究人员观察到，禁食的小鼠约一小时内摄入了磁性水凝胶。摄入的磁性水凝胶完全从对照组中的GI道6小时内清除。相反，在实验组中，磁性水凝胶被磁性驻留在胃肠道中7天。从腹部取出磁铁后，磁性水凝胶迅速释放，并在6小时内完成了其通过剩余管道的通行。在其驻留期间，磁性水凝胶能够抵抗肠蠕动引起的机械负荷并保持其结构完整性。与磁性水凝胶接触的肠组织没有表现出明显的炎症反应，肠腔也没有被阻塞通过驻留的水凝胶。
图5 磁性活水凝胶的磁体辅助驻留和体内血红素传感功能的体内验证。a）摄取的磁性活水凝胶的插图在约6小时内穿过小鼠的整个GI道。b）通过附着在腹部的外部磁体将摄取的磁性活水凝胶驻留在小鼠的胃肠道中7天的示意图。c）摄入磁性活水凝胶的小鼠的CT图像在约6小时内穿过小鼠的整个GI道。d）小鼠的CT图像，其摄食的磁性活水凝胶通过附着在腹部的体外磁体在肠道中驻留了7天。e，f）用苏木精和曙红染色的代表性组织学图像（H＆E）在驻留肠道7天后不使用（e）和使用（f）磁性水凝胶评估小肠横截面。h）带有或不带有磁性水凝胶的粪便颗粒的CT图像。i）体内血液感测性能。将磁性水凝胶驻留在肠中后，给小鼠注射吲哚美辛（诱导胃肠道出血）或PBS。
为了证明磁性水凝胶可以用作体内活体传感器的通用载体，研究人员验证了被肠道固位水凝胶封装的活菌能够在小鼠体内检测生物标志物。从有或没有磁性水凝胶的粪便样本中回收的活细菌数量差异表明，水凝胶中包含的水凝胶封装细菌没有显着改变整体肠道菌群。它还表明可以驻留高负荷的细菌，这对于有效的治疗传递和准确的生物传感将是有用的。
为了确定该系统是否对消炎痛引起的胃肠道出血有反应，研究人员测试了摄入的磁性水凝胶中包裹的细菌血液传感器。携带磁性活水凝胶小鼠接受吲哚美辛诱导实验组胃肠道出血，对照组给予磷酸盐缓冲盐水。实验组服用吲哚美辛后二十四小时，去除腹部磁铁并收集两组粪便颗粒。研究人员进行了CT扫描以确认磁性水凝胶的存在，进行了发光分析和CFU枚举以计算细菌的发光，并进行愈创木脂测试以验证小鼠的GI出血。给予吲哚美辛的小鼠粪便颗粒的标准化发光值明显更高。结果表明，在小鼠肠道中细菌传感器的24小时局部定植可以有效检测体内的GI出血。
该磁性水凝胶驻留系统将可摄取的磁性活水凝胶与可穿戴磁体结合在一起。该系统依靠磁性吸引来抵消正常肠蠕动的推动作用。通过理论计算，研究人员优化了体外磁体的尺寸，以驻留适用于小鼠或人类的磁性水凝胶。通过使用小鼠大小的管道，人类大小的管道，体外的人类大小的肠体模以及体内的小鼠模型，可以验证磁性水凝胶在体外磁体控制下的驻留和定位。通过将基因改造的血红素敏感细菌掺入可摄入的水凝胶中，研究人员证明了该设备可检测胃肠道出血，这是肠道生物传感概念的证明。