首頁資訊 Nature子刊：中美三校合作，開發(fā)用于遠(yuǎn)程操控食欲的口服軟體機(jī)器人

Nature子刊：中美三校合作，開發(fā)用于遠(yuǎn)程操控食欲的口服軟體機(jī)器人

來源：泰然健康網(wǎng) 時(shí)間：2025年11月13日 18:05

編輯丨王多魚

題圖丨Pixabay

肥胖對(duì)人群的的影響是深遠(yuǎn)的，它不僅關(guān)系到個(gè)人健康，還與全球公共衛(wèi)生挑戰(zhàn)密切相關(guān)。據(jù)世界衛(wèi)生組織最新數(shù)據(jù)，全球每8人中就有1人患有肥胖癥。肥胖還會(huì)增加2型糖尿病、心血管疾病，以及多種癌癥的患病風(fēng)險(xiǎn)，并對(duì)社會(huì)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)生重大影響。因此，開發(fā)有效的治療方法和藥物對(duì)于改善全球健康狀況至關(guān)重要。近年來，以司美格魯肽為代表的GLP-1受體激動(dòng)劑展現(xiàn)出強(qiáng)大的減輕體重效果，并獲得了FDA批準(zhǔn)用于治療肥胖。

胃生長(zhǎng)激素釋放肽（Ghrelin），又名“胃饑餓素”，是一種在胃腸道中分泌的肽類物質(zhì)，它在調(diào)節(jié)食欲和能量代謝中起著關(guān)鍵作用。當(dāng)人體處于饑餓狀態(tài)時(shí)，胃底會(huì)大量分泌胃饑餓素，從而增加食欲，促進(jìn)食物攝入。胃饑餓素通過與大腦中的特定受體結(jié)合，影響下丘腦的食欲調(diào)節(jié)中心，進(jìn)而調(diào)節(jié)食欲和能量代謝。胃饑餓素的作用包括增加食欲、減少能量消耗、促進(jìn)脂肪儲(chǔ)存。在減肥過程中，胃饑餓素的水平通常較高，這可能導(dǎo)致食欲增加和能量攝入增加。因此，通過調(diào)節(jié)胃饑餓素的水平，可以幫助控制食欲，促進(jìn)減肥。目前，針對(duì)胃饑餓素的藥物和治療方法正在研究之中，旨在通過抑制胃饑餓激素的分泌或降低其活性，達(dá)到減肥的效果。

近日，浙江大學(xué)南科望研究員聯(lián)合香港城市大學(xué)于欣格教授和麻省理工學(xué)院Giovanni Traverso教授，在 Nature Communications 期刊發(fā)表了題為：An ingestible, battery-free, tissue-adhering robotic interface for non-invasive and chronic electrostimulation of the gut 的研究論文。

該研究另辟蹊徑，尋求運(yùn)用非藥物、無創(chuàng)、可遠(yuǎn)程操控的方法來調(diào)節(jié)活體內(nèi)的胃饑餓素水平，團(tuán)隊(duì)合力研發(fā)了一款可吞服、無電池、組織粘附的軟體機(jī)器人（IngRI）用于非侵入性的胃部電刺激，并在成年豬體內(nèi)實(shí)現(xiàn)了胃饑餓素水平的調(diào)節(jié)。

該研究展示了一個(gè)創(chuàng)新的可吞服軟體機(jī)器人（IngRI），它是一種設(shè)計(jì)用于在消化道內(nèi)進(jìn)行無線長(zhǎng)期電刺激的設(shè)備（圖1）。IngRI最初被封裝在一個(gè)明膠膠囊中，當(dāng)膠囊進(jìn)入腸道后，它會(huì)溶解并釋放出折疊的IngRI。一旦釋放，IngRI可以利用外部手持磁鐵的幫助，在腸道中導(dǎo)航至所需的位置，特別是胃部。

到達(dá)目標(biāo)位置后，IngRI利用仿生水凝膠的粘附作用，牢固地附著在胃粘膜上，確保設(shè)備的穩(wěn)定性和適形電極與組織的有效接觸。通過近場(chǎng)感應(yīng)耦合，IngRI能夠提供可編程的電脈沖，用于刺激胃腸道中具有電興奮性的細(xì)胞，以達(dá)到治療的目的。這種設(shè)備的設(shè)計(jì)克服了傳統(tǒng)可攝入電刺激設(shè)備的一些限制，如電極與組織接觸不良和電池壽命有限，為胃腸道疾病的治療提供了新的可能性。

圖1.可吞服軟體機(jī)器人設(shè)計(jì)

研究團(tuán)隊(duì)詳細(xì)探究了IngRI的多層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及其柔韌性和適應(yīng)性（圖2）。IngRI采用了多層設(shè)計(jì)，并通過光學(xué)圖像展示了其折疊后安裝在明膠膠囊內(nèi)的狀態(tài)，以及其變形后的柔韌性。為了研究IngRI的接觸和刺激特性，團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了落下測(cè)試，其中IngRI連接到接收器線圈，接收器線圈從發(fā)射器線圈接收無線電力，并連接到示波器以顯示不同受控參數(shù)下的輸出電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，具有較小剛度的IngRI在落到潮濕或干燥的豬胃組織上時(shí)，輸出電壓較高且誤差較小。光學(xué)圖像進(jìn)一步顯示了剛性和軟性版本的IngRI在落下后與胃組織接觸的情況。此外，研究團(tuán)隊(duì)還探討了不同電極材料和配置對(duì)輸出電壓的影響。使用凝膠作為接觸界面的電極顯示出更好的波形保真度，而不同電極面積的測(cè)試表明，輸出電壓與接觸面積成反比。這些發(fā)現(xiàn)不僅展示了IngRI在設(shè)計(jì)和功能上的創(chuàng)新，還為其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)和實(shí)驗(yàn)支持。

圖2.機(jī)器人的柔韌性和適應(yīng)性展示

接下來，研究團(tuán)隊(duì)通過使用外部手持式磁鐵模擬IngRI體內(nèi)導(dǎo)航，進(jìn)行了體外裝置的實(shí)驗(yàn)，并展示了相關(guān)的光學(xué)圖像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，IngRI在不同方向和濕度條件下的最小驅(qū)動(dòng)距離具有顯著差異，這些數(shù)據(jù)對(duì)于優(yōu)化其導(dǎo)航性能至關(guān)重要。此外，IngRI在體內(nèi)成功展示了其卓越的導(dǎo)航和翻轉(zhuǎn)能力。為了增強(qiáng)IngRI在胃內(nèi)的停留時(shí)間，研究團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種仿生水凝膠粘合劑。該粘合劑通過軟硅膠盤和凍干水凝膠的雙層結(jié)構(gòu)，提供了物理和化學(xué)粘附的結(jié)合，能夠有效應(yīng)對(duì)胃內(nèi)苛刻的環(huán)境。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，加入軟硅膠盤或凍干水凝膠后，IngRI的平均剝離力在第0天顯著增加，且在第7天使用仿生水凝膠粘合劑后，剝離力仍然保持較高水平。進(jìn)一步的研究通過射線照片跟蹤了帶有仿生水凝膠粘合劑的IngRI在豬胃中的停留情況（圖3）。結(jié)果顯示，在攝入48小時(shí)后，七分之五的裝置完好無損，證明了其在體內(nèi)的穩(wěn)定性和持久性。

圖3.機(jī)器人在豬胃內(nèi)的導(dǎo)航和生物粘貼

為實(shí)現(xiàn)器件的無線供能，研究團(tuán)隊(duì)展示了將脈沖波轉(zhuǎn)換為高頻脈沖串以便無線傳輸?shù)浇邮掌骶€圈的過程（圖4）。這種創(chuàng)新設(shè)計(jì)顯著提升了無線傳輸?shù)男屎头€(wěn)定性。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)研究了不同脈沖寬度（0.33、3和50毫秒）下的代表性輸出波形，顯示出頻率為14Hz、負(fù)載電阻為1000歐姆、接收器線圈直徑為18毫米的條件下的性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同的負(fù)載電阻、入射角、PDMS封裝厚度以及磁鐵的存在對(duì)輸出功率與發(fā)射器和接收器線圈之間距離的關(guān)系有顯著影響。

圖4.機(jī)器人的無線供能設(shè)計(jì)

最后，研究團(tuán)隊(duì)使用成年豬模型進(jìn)行了活體實(shí)驗(yàn)，通過內(nèi)窺鏡圖像展示了IngRI在腸道內(nèi)對(duì)LED設(shè)備進(jìn)行無線供電的能力（圖5）。這種無線供電技術(shù)證明了IngRI在真實(shí)生物環(huán)境中的實(shí)用性和可靠性。為了進(jìn)一步驗(yàn)證IngRI的功能，團(tuán)隊(duì)測(cè)量了其傳遞的傳導(dǎo)信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中，針電極被放置在豬的腹部，檢測(cè)并記錄了相應(yīng)的波形。結(jié)果顯示，皮下針電極記錄的FSK調(diào)制下的不同脈沖寬度波形清晰可見，而對(duì)照實(shí)驗(yàn)表明無線傳輸不會(huì)干擾皮下記錄。此外，研究團(tuán)隊(duì)還探討了在AM調(diào)制方案下使用不同輸入電壓時(shí)皮下記錄的平均輸出電壓。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同輸入電壓下的輸出電壓具有顯著差異，為IngRI的實(shí)際應(yīng)用提供了重要數(shù)據(jù)支持。研究團(tuán)隊(duì)還測(cè)量了使用IngRI刺激的成年豬血漿胃生長(zhǎng)激素釋放肽水平，并展示了血漿胃生長(zhǎng)激素釋放肽水平隨時(shí)間變化的平均倍數(shù)變化。

圖5.機(jī)器人在成年豬內(nèi)的活體實(shí)驗(yàn)證明能夠有效調(diào)控血漿生長(zhǎng)素釋放肽水平

這項(xiàng)研究展示了一種概念性的軟體機(jī)器人（IngRI），用于實(shí)現(xiàn)胃腸道的可吞服、無線電刺激。離體和體內(nèi)測(cè)試均表明，該軟設(shè)備架構(gòu)比現(xiàn)有的剛性電刺激裝置具有更好的電極組織接觸和更長(zhǎng)的胃滯留時(shí)間。IngRI提供的短脈沖刺激進(jìn)一步導(dǎo)致血漿胃饑餓素水平增加，可激活生長(zhǎng)激素促分泌素受體（GHS-R）并刺激食物攝入和脂肪沉積。這些數(shù)據(jù)支持通過非藥物神經(jīng)調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)食欲和治療其他疾病的潛力。

IngRI的功耗（約為100mW）可以與最近發(fā)表在頂級(jí)期刊上的各式用于提供機(jī)電刺激的可吞服電子設(shè)備相媲美，例如STIMS（Science Advances，2020）、RoboCap（Science Robotics，2023）、和FLASH（Science Robotics, 2023）。但后幾者均采用電池供電而導(dǎo)致體內(nèi)危險(xiǎn)性增加，并且無法在大型動(dòng)物模型中駐留超過24小時(shí)。

IngRI的一個(gè)顯著的潛在優(yōu)勢(shì)是它能夠在完全攝入的同時(shí)進(jìn)行慢性（長(zhǎng)達(dá)幾天）胃刺激。這是通過優(yōu)化的無線能量傳輸方案和可遠(yuǎn)程觸發(fā)的仿生粘合技術(shù)來共同實(shí)現(xiàn)的。IngRI創(chuàng)新性的生物粘貼機(jī)制使得其胃駐留時(shí)長(zhǎng)超過48小時(shí)，從而可以提供更接近于植入式胃刺激器（當(dāng)前的臨床金標(biāo)準(zhǔn)）的慢性刺激模式來顯著提高療效，同時(shí)提高患者接受度并降低成本。

浙江大學(xué)藥學(xué)院為該論文的第一單位。浙江大學(xué)南科望研究員、香港城市大學(xué)于欣格教授和麻省理工學(xué)院Giovanni Traverso教授為論文共同通訊作者。主要作者還包括黃麒運(yùn)（麻省理工學(xué)院研究生）、李登峰（香港城市大學(xué)博士后）、應(yīng)斌斌（麻省理工學(xué)院博士后）、茅棋江（浙醫(yī)附屬邵逸夫醫(yī)院）、杜凝潔（浙江大學(xué)研究生）、桑磊（合肥工業(yè)大學(xué)教授）等。

論文鏈接：

https://www.nature.com/articles/s41467-024-51102-5