普渡大學(xué)開(kāi)發(fā)3D打印膠囊，能夠?qū)θ祟愇竷?nèi)的細(xì)菌進(jìn)行采樣

2020年8月14日，南極熊從外媒獲悉，普渡大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)了一種3D打印膠囊，能夠?qū)θ祟愇竷?nèi)的細(xì)菌進(jìn)行采樣。

這種打印的藥丸能夠發(fā)揮結(jié)腸鏡的作用，捕獲細(xì)菌（稱為生物群），不僅僅是結(jié)腸內(nèi)的細(xì)菌，而是整個(gè)胃腸道的細(xì)菌。這種 "腸道鏡 "技術(shù)可以和現(xiàn)有的結(jié)腸鏡檢查流程一起部署，以便更好地了解腸道疾病。

普渡大學(xué)材料工程助理教授Rahim Rahimi說(shuō)："這能夠在腸道的任何地方采集細(xì)菌樣本，這在以前是不可能的。"

結(jié)腸鏡和3D打印藥丸

在過(guò)去的十年中，研究已經(jīng)確定了胃部生物失衡（生物失調(diào)）與糖尿病、肥胖癥和代謝綜合征等疾病之間的聯(lián)系。特定細(xì)菌種類的存在也會(huì)改變某些藥物的代謝，如化療藥物和抗病毒藥物。因此，微生物組采樣對(duì)了解微生物群-藥物相互作用非常重要，它為開(kāi)發(fā)患者特異性用藥提供了可能。

大多數(shù)已有的研究都是采用外源采樣方法進(jìn)行的，這種方法依賴于糞便的收集。由于糞便標(biāo)本中的腸道細(xì)菌只有一部分是可以培養(yǎng)的，因此，為了能夠直接從消化道中提取微生物，人們做出了重大努力。腸道本身有9米長(zhǎng)，其直徑因患者而異，所以直接取樣有很多挑戰(zhàn)。目前的結(jié)腸鏡和胃鏡檢查方法僅限于在某些部位取樣，而且可能是侵入性的，導(dǎo)致患者不配合。

智能功能膠囊提供了另一種方法，通過(guò)沿消化道的目標(biāo)位置取菌。PillCam膠囊內(nèi)窺鏡(CE)技術(shù)已經(jīng)商業(yè)化，作為傳統(tǒng)內(nèi)窺鏡的非侵入性替代方法被廣泛使用。盡管PillCam具有視頻診斷能力，但它仍然缺乏在膠囊內(nèi)收集和存儲(chǔ)樣本的能力。電池驅(qū)動(dòng)的采樣膠囊也已經(jīng)被開(kāi)發(fā)出來(lái)，但在測(cè)試過(guò)程中，故障已經(jīng)將設(shè)備擱淺在患者體內(nèi)。

"無(wú)源驅(qū)動(dòng) "采樣提供了一個(gè)更緊湊、更安全、更便宜的選擇。在被動(dòng)式設(shè)計(jì)中，膠囊通過(guò)蠕動(dòng)運(yùn)動(dòng)在胃腸道中移動(dòng)，平均速度為1-2厘米/分鐘-1。此前對(duì)創(chuàng)建被動(dòng)膠囊的嘗試形式各異。 2015年的一項(xiàng)多中心研究，成功創(chuàng)建了壓縮網(wǎng)狀海綿形式的被動(dòng)藥丸，但這是通過(guò)一根繩子收回的，給患者帶來(lái)不適。

普渡大學(xué)研究人員的膠囊是為了提供一種創(chuàng)傷性較小的監(jiān)測(cè)腸道疾病的方法，GIF來(lái)自普渡大學(xué)

普渡大學(xué)團(tuán)隊(duì)的新膠囊設(shè)計(jì)

在一種新穎的方法中，普渡大學(xué)的團(tuán)隊(duì)創(chuàng)造了一種膠囊，利用高吸水性水凝膠的膨脹特性來(lái)收集生物有機(jī)體。水凝膠具有超強(qiáng)的吸水性，在水環(huán)境中可以吸收150-300倍于自身重量的物質(zhì)，是儲(chǔ)存細(xì)菌的理想選擇。將水凝膠的吸收能力融入到藥片中，使得該裝置能夠以非侵入性的方式，進(jìn)入以前無(wú)法到達(dá)的消化道區(qū)域。

藥片本身由四部分組成：可生物降解腸道涂層、3D打印外殼、采樣水凝膠和氣體滲透PDMS膜。利用Form 2 3D打印機(jī)，研究團(tuán)隊(duì)用一種生物相容性的光固化聚合物制造了藥片。每個(gè)膠囊直徑為9毫米，長(zhǎng)度為15毫米，包含采樣水凝膠以及1毫米厚的膜。

在實(shí)踐中，藥丸被吞下，其可生物降解的腸道涂層會(huì)延遲它被激活，直到它到達(dá)目標(biāo)位置。一旦到了那里，涂層就會(huì)溶解，使胃腸道液體充滿設(shè)備。當(dāng)脫水水凝膠在藥丸內(nèi)膨脹時(shí)，它會(huì)將PDMS膜推到膠囊的孔上，一旦裝滿就起到密封裝置的作用。

測(cè)試普渡丸的療效

為了評(píng)估他們新開(kāi)發(fā)的藥丸，該團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了一系列泄漏測(cè)試和體外細(xì)菌采樣。為了評(píng)估該裝置的密封機(jī)制，將一個(gè)組裝好的膠囊和一個(gè)單獨(dú)的水凝膠分別浸泡在氯化鈉溶液和DI水中8小時(shí)。還添加了紅色的食用色素，這樣可以很容易地識(shí)別兩個(gè)水凝膠之間的吸收水平。

小結(jié)紫外可見(jiàn)光譜測(cè)量結(jié)果顯示，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，膠囊內(nèi)沒(méi)有新鮮介質(zhì)。密封膠囊和純DI水的吸收水平被證明是相當(dāng)?shù)模⑶译S著時(shí)間的推移保持穩(wěn)定。因此，試驗(yàn)證實(shí)，密封膠囊內(nèi)的水凝膠和氯化鈉溶液之間沒(méi)有發(fā)生液體交換。

為了驗(yàn)證該裝置對(duì)細(xì)菌的采樣能力，研究人員將膠囊浸泡在培養(yǎng)液中，模擬消化道環(huán)境。將三個(gè)完全組裝好的膠囊和一組裸露的水凝膠樣品分別浸入三種不同的溶液中一小時(shí)。這些條件被設(shè)計(jì)成對(duì)細(xì)菌有敵意，并挑戰(zhàn)其3D打印藥丸中生物群的生存能力。

橫斷面SEM圖像后來(lái)證實(shí)了細(xì)菌在水凝膠表面的存在，大腸桿菌能夠附著在凝膠的固體聚合物網(wǎng)絡(luò)上。進(jìn)一步的測(cè)試涉及使用漂白劑和抗生素Tobramycin的組合，以模擬最惡劣的可信環(huán)境。在所有條件下，裸露的水凝膠與從密封膠囊內(nèi)提取的細(xì)菌相比，活菌數(shù)量較少。

雖然在漂白劑評(píng)估下維持的活菌樣本較少，但仍有相當(dāng)數(shù)量的活菌存活，進(jìn)一步證明了水凝膠提供了一個(gè)培養(yǎng)的棲息地。普渡團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，該藥丸成本低、設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，未來(lái)可在臨床上廣泛應(yīng)用。同時(shí)，研究人員將專注于針對(duì)特定的樣本位置，并利用動(dòng)物模型進(jìn)行體內(nèi)測(cè)試。

研究人員的研究結(jié)果在他們題為 "Smart capsule for non-invasive sampling and studying of the gastrointestinal microbiome"的論文中詳細(xì)介紹，該論文發(fā)表在RSC Advances雜志上。該報(bào)告由Jose Fernando Waimin、Sina Nejati、Hongjie Jiang、Jake Qiu、Jianghsan Wang、Mohit S. Verma和Rahim Rahimi共同撰寫(xiě)。