受到可穿戴柔性电路的启发，近期提出的电子粘膜展示出巨大的潜力（Nature Reviews Materials, 2022，7(11), 908-925），同时消化道提供了一种无创的体内递送方式（Nature Reviews Materials, 2019, 4(2), 83-98）。然而，由于湿滑、动态、狭窄的复杂体内环境，在狭窄腔道内原位持续的诊断与治疗十分具有挑战。
近期，香港中文大学机械与自动化工程学系张立教授团队联合香港中文大学医学院赵伟仁教授、香港中文大学周毓浩创新医学技术中心陈启枫教授与浙江大学机械工程学院潘程枫研究员以胃酸反流为背景，展示了无线供能的柔性电子支架用于食道贲门的电刺激治疗。该电子支架可变形的结构结合本征可拉伸的材料使得电子支架可以承受150% 轴向拉长以及50% 径向压缩，并可以利用内镜通过口腔完成无创递送。同时，课题组在成年猪动物模型上验证了电子支架的体内供能以及贲门无线电刺激的有效性。相关研究成果以 “Wirelessly powered deformable electronic stent for noninvasive electrical stimulation of lower esophageal sphincter” 为题发表于国际著名期刊《Science Advances》并被选为网页封面。如图 1 所示，该系统由体外发射端与电子支架（体内接受端）组成。该电子支架以镍钛合金食道支架为骨架，同时集成了液态金属（EGaIn）为导线的柔性电路，并用注射了液态金的硅胶软管作为接收端天线用于动态环境下的无线供能。本征可拉伸的柔性电路结合可变形的结构使得支架能够承受50%的拉伸而不损坏，电路设计使得柔性电路可以在动态环境下产生稳定的双相恒流电刺激。具有对称螺线管的体外发射线圈可以在40cm的工作空间内产生均匀的交变磁场，通过磁耦合的方式，实现了透过大型动物深层组织的无线供能。如图2A所示，课题组提出了一种基于闭合面积的理论模型，为电子支架的无线供能提供理论指导。该模型可以拓展至倾斜和压缩的场景，图2B，C的实验结果很好地吻合了理论值，展现了该设计策略的普适性。如图2D, E, F所示，课题组在猪体内和体外测试了柔性线圈的性能。尽管由于食道的压缩使得柔性线圈性能下降，柔性线圈仍然能够接收足够的能量用于驱动后续电路。为了在食道的动态环境中产生稳定的电刺激信号，课题组使用了一种压控恒流电路（图2G），可以通过硬件调节生成3-8mA刺激电流（图2H）。在1kΩ 范围内，该电路可以产生双相恒流电刺激（图2I）。同时，以液态金属为导线的柔性电路，可以承受41%的拉伸以及1080°的扭转。如图2L, M, N所示，疲劳测试展现了该电路优越的机械性能。视频展示了集成的电子支架，可以在拉伸，弯折，以及压缩的形变下，产生稳定的双相恒流脉冲信号，展示了稳健的性能以及体内动态环境下的潜在应用。液态金属是很好的显影剂。借助这一特性，课题组在活猪上验证了电子支架的经口无创递送。图3A的CT影像很好得展现了电子支架优越的变形性能以及递送过程。图3B的内窥镜视角展示了递送后不影响贲门闭合。递送前后的贲门压力测试进一步表明电子支架的递送对贲门压力无显著影响（图3C）。如图3D所示，组织切片展示了微针可以扎破粘膜层而不扎透食道壁。与没有微针的支架对比，微针显著增加了刺激的有效性（图3E）。上述结果综合展示了微针的安全性以及有效性。同时，将支架与微针分别浸泡在模拟胃液中连续一周，在性能上没有发现显著差异，验证了电子支架在酸性环境下的潜在长期应用。图 4：活猪体内无线电刺激的有效性与安全性验证。a 无线电刺激实验设置与原理。b 电刺激前中后四头猪的贲门压力变化。c 电刺激过程中以及停止后贲门平均压力增量。d电刺激前中后四头猪的贲门压力平均值。e，f 液态金属以及微针与人食道上皮细胞的生物相性g 无线供能过程中猪表皮的温度变化。活猪体内实验表明，二十分钟连续电刺激可以使得贲门压力显著增加，并在停止刺激后保持一段时间，随后逐渐衰减至基准压力。该结果表明，定期连续电刺激将会是一种治疗胃酸反流的有效手段。最后课题组提出了一种可穿戴无线供能线圈的设计思路，以适应不同体型的病人，并设计了便携的控制盒，满足了稳定供能的需求而不影响日常活动。以下视频用透明人体模型展示了可穿戴无线供能线圈的可行性。总结而言，本工作提出了一种柔性电子支架，用于食道贲门的无线电刺激。通过口腔递送的方式，为今后消化道内的无创诊断与治疗提供了新的思路。这项研究得到香港研究资助局（RGC）、香港创新科技署（ITC）、裘槎基金会（CFG）中大-中国科学院深圳先进技术研究院机器人与智能系统联合实验室、创新香港研发平台（InnoHK）的医疗机器人创新技术中心（MRC）的支持。该工作得到香港中文大学赵伟仁教授，以及中北大学高晋阳教授大力合作和帮助。近五年来，张立教授课题组报道了一系列微纳机器人，实现了狭窄腔道内的的无创递送以及生物医学应用，并在著名期刊上发表了多篇学术论文。部分研究成果如下：[1] Adv. Mater., 2022, 34(34), 2201888：磁驱动微米机器人集群用于去除胆管支架内细菌生物膜；
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202201888[2] Sci. Adv., 2022, 8(40): eabq8573：港中大开发“磁控螺旋微机器人”治疗中耳炎患者中耳导管菌膜感染；
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8573[3] Sci. Rob, 6(52), eabd2813：微型机器人和传统机器人结合实现体内狭小腔道的快速高精度递送；
https://www.science.org/doi/full/10.1126/scirobotics.abd2813香港中文大学张立教授团队主页：
http://www.cuhklizhanggroup.com/--纤维素推荐--
原文链接：
https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade8622声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！