已有研究表明，胃腸道系統(tǒng)腸道區(qū)域中的一些代謝物在腸道功能中起著至關(guān)重要的作用。例如，炎癥性腸病（IBD）、糖尿病或肥胖等慢性疾病，都是由涉及腸道代謝產(chǎn)物吸收或消化的腸道過程功能障礙引起的。微型可食用傳感模塊的發(fā)展為腸道微生物群的獲取提供了巨大的希望。然而，盡管可食用傳感器件，特別是那些針對腸道環(huán)境的器件的相關(guān)研究已取得了很大的進(jìn)展，但目前還沒有可以實時捕獲該區(qū)域代謝物動力學(xué)特征的措施。此外，大多數(shù)與可食用傳感器件相關(guān)的過往工作都使用了電池。而電池含有有毒元素，直接將其暴露在腸道環(huán)境中可能會導(dǎo)致嚴(yán)重的并發(fā)癥。

近期，美國加州大學(xué)圣地亞哥分校（University of California San Diego）的研究人員提出了一種自供電、無電池、無線、節(jié)能的生物傳感膠囊，用于監(jiān)測小腸中的葡萄糖動力學(xué)。該系統(tǒng)集成了多個功能，以解決實現(xiàn)膠囊型可食用原位化學(xué)傳感器件的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。該膠囊包含一個葡萄糖生物燃料電池（BFC），用于在運行過程中獲取能量，同時利用提取的能量測量葡萄糖濃度的變化。此外，該研究采用了一種工作在40~200 MHz頻率范圍內(nèi)的高效節(jié)能磁性人體通信（mHBC）方案，以接收時間分辨的傳輸信號。相關(guān)研究成果以“A self-powered ingestible wireless biosensing system for real-time in situ monitoring of gastrointestinal tract metabolites”為題，發(fā)表于Nature Communications期刊。

圖1 可食用自供電生物燃料電池（BFC）膠囊傳感器的設(shè)計及傳感機理

該研究首先對傳感系統(tǒng)的電路進(jìn)行了設(shè)計。來自微型葡萄糖BFC的電壓和功率太低，無法為商用無線信號傳輸器供電。較大的傳統(tǒng)BFC供電系統(tǒng)通過使用直流-直流（DC-DC）升壓變換器來產(chǎn)生更高的供電電壓，從而克服了低電壓問題。然而，這種方法需要龐大的功率調(diào)節(jié)電路，并引入額外的損耗，最終超過所需的功率預(yù)算。因此，在該項研究中，研究人員放棄了DC-DC轉(zhuǎn)換器的使用，而是開發(fā)了一個可以直接利用BFC運行的定制微芯片。從頭開始設(shè)計的集成電路利用電壓-頻率轉(zhuǎn)換方案和mHBC信號傳輸器，平均只消耗不到1微瓦（~0.4微瓦）的功率。此外，所開發(fā)的芯片安裝在規(guī)格為16.4 mm × 7.5 mm的電路板上，且只需要連接循環(huán)延遲分集（CDD）和板載mHBC天線。

圖2 定制化集成電路的電學(xué)表征

接著，研究人員通過廣泛的體外表征對BFC的性能進(jìn)行了優(yōu)化和校準(zhǔn)，以建立與小腸中葡萄糖濃度的相關(guān)性。在體外模擬過程中，BFC傳感器顯示出對葡萄糖的高特異性，而含有干擾化合物的溶液顯示出可忽略不計的交叉反應(yīng)性（圖3）。此外，作為概念證明，研究人員利用豬模型進(jìn)行了腸道內(nèi)葡萄糖動力學(xué)監(jiān)測。在豬身上進(jìn)行的原位實驗表明，口服溶液中葡萄糖濃度的差異導(dǎo)致了連續(xù)收集的數(shù)據(jù)的差異，這意味著該傳感系統(tǒng)對小腸中的葡萄糖成功實現(xiàn)了監(jiān)測（圖4）。

圖3 葡萄糖生物燃料電池（BFC）在接近胃腸道真實生理條件下的體外表征和模擬

圖4 豬模型中原位膠囊的性能

綜上所述，該研究展示了一種自供電、無電池、可食用的生物傳感膠囊，可用于活體受試者的原位實時腸道內(nèi)葡萄糖監(jiān)測。為了激活膠囊內(nèi)的電子電路，集成的生物燃料電池（BFC）為磁性人體通信（mHBC）無線電路能源系統(tǒng)收集足夠的能量。這項工作解決了膠囊型可食用器件的多個現(xiàn)有挑戰(zhàn)，包括避免電池的使用、實現(xiàn)電子器件小型化、通過致密生物組織進(jìn)行信號傳輸，以及保護(hù)生物傳感器免受惡劣的原位環(huán)境的影響。此外，這種技術(shù)還可以在慢性胰腺炎和傾倒綜合征等吸收不良疾病的診斷中發(fā)揮關(guān)鍵作用，例如，通過分析復(fù)雜的碳水化合物膳食是否充分分解為葡萄糖，以及分析食物遷移到小腸中所需的胃排空時間。

未來的工作將集中在膠囊傳感平臺局限性的解決和功能的擴展上。例如，在沒有麻醉的情況下在豬身上使用生物傳感器；在固體食物攝入過程中，固體顆粒可能會部分堵塞傳感器表面，因此需要改良的多孔膜來防止傳感器波動；此外，需要進(jìn)一步集成氧氣濃度、溫度和pH值跟蹤監(jiān)測等功能，以進(jìn)一步校準(zhǔn)膠囊，實現(xiàn)可靠的葡萄糖監(jiān)測。最后，為了使膠囊更容易通過胃腸道，可通過制造更小的傳感器和電子元件將該器件縮小到商用可食用器件的尺寸。

審核編輯：郭婷