受到可穿戴柔性電路的啟發(fā)，近期提出的電子粘膜展示出巨大的潛力（Nature Reviews Materials,2022，7(11), 908-925），同時消化道提供了一種無創(chuàng)的體內(nèi)遞送方式（Nature Reviews Materials, 2019, 4(2), 83-98）。然而，由于濕滑、動態(tài)、狹窄的復(fù)雜體內(nèi)環(huán)境，在狹窄腔道內(nèi)原位持續(xù)的診斷與治療十分具有挑戰(zhàn)。
近期，香港中文大學(xué)機械與自動化工程學(xué)系張立教授團(tuán)隊聯(lián)合香港中文大學(xué)醫(yī)學(xué)院趙偉仁教授、香港中文大學(xué)周毓浩創(chuàng)新醫(yī)學(xué)技術(shù)中心陳啟楓教授與浙江大學(xué)機械工程學(xué)院潘程楓研究員以胃酸反流為背景，展示了無線供能的柔性電子支架用于食道賁門的電刺激治療。該電子支架可變形的結(jié)構(gòu)結(jié)合本征可拉伸的材料使得電子支架可以承受150% 軸向拉長以及50% 徑向壓縮，并可以利用內(nèi)鏡通過口腔完成無創(chuàng)遞送。同時，課題組在成年豬動物模型上驗證了電子支架的體內(nèi)供能以及賁門無線電刺激的有效性。相關(guān)研究成果以 “Wirelessly powered deformable electronic stent for noninvasive electrical stimulation of lower esophageal sphincter” 為題發(fā)表于國際著名期刊《Science Advances》并被選為網(wǎng)頁封面。
圖 1：無線供能的柔性電子支架系統(tǒng)概述。
圖 2：柔性電子支架的電力學(xué)特性。
如圖2A所示，課題組提出了一種基于閉合面積的理論模型，為電子支架的無線供能提供理論指導(dǎo)。該模型可以拓展至傾斜和壓縮的場景，圖2B，C的實驗結(jié)果很好地吻合了理論值，展現(xiàn)了該設(shè)計策略的普適性。如圖2D, E, F所示，課題組在豬體內(nèi)和體外測試了柔性線圈的性能。盡管由于食道的壓縮使得柔性線圈性能下降，柔性線圈仍然能夠接收足夠的能量用于驅(qū)動后續(xù)電路。
圖 3：CT下的經(jīng)口無創(chuàng)遞送。
圖 4：活豬體內(nèi)無線電刺激的有效性與安全性驗證。a 無線電刺激實驗設(shè)置與原理。b 電刺激前中后四頭豬的賁門壓力變化。c 電刺激過程中以及停止后賁門平均壓力增量。d電刺激前中后四頭豬的賁門壓力平均值。e，f 液態(tài)金屬以及微針與人食道上皮細(xì)胞的生物相性g 無線供能過程中豬表皮的溫度變化。
活豬體內(nèi)實驗表明，二十分鐘連續(xù)電刺激可以使得賁門壓力顯著增加，并在停止刺激后保持一段時間，隨后逐漸衰減至基準(zhǔn)壓力。該結(jié)果表明，定期連續(xù)電刺激將會是一種治療胃酸反流的有效手段。
最后課題組提出了一種可穿戴無線供能線圈的設(shè)計思路，以適應(yīng)不同體型的病人，并設(shè)計了便攜的控制盒，滿足了穩(wěn)定供能的需求而不影響日常活動。以下視頻用透明人體模型展示了可穿戴無線供能線圈的可行性。
總結(jié)而言，本工作提出了一種柔性電子支架，用于食道賁門的無線電刺激。通過口腔遞送的方式，為今后消化道內(nèi)的無創(chuàng)診斷與治療提供了新的思路。
這項研究得到香港研究資助局（RGC）、香港創(chuàng)新科技署（ITC）、裘槎基金會（CFG）中大-中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院機器人與智能系統(tǒng)聯(lián)合實驗室、創(chuàng)新香港研發(fā)平臺（InnoHK）的醫(yī)療機器人創(chuàng)新技術(shù)中心（MRC）的支持。該工作得到香港中文大學(xué)趙偉仁教授，以及中北大學(xué)高晉陽教授大力合作和幫助。
原文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ade8622
近五年來，張立教授課題組報道了一系列微納機器人，實現(xiàn)了狹窄腔道內(nèi)的的無創(chuàng)遞送以及生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用，并在著名期刊上發(fā)表了多篇學(xué)術(shù)論文。
部分研究成果如下：
[1] Adv. Mater., 2022, 34(34), 2201888：磁驅(qū)動微米機器人集群用于去除膽管支架內(nèi)細(xì)菌生物膜；https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/adma.202201888
[2] Sci. Adv., 2022, 8(40): eabq8573：港中大開發(fā)“磁控螺旋微機器人”治療中耳炎患者中耳導(dǎo)管菌膜感染；https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.abq8573
[3] Sci. Rob, 6(52), eabd2813：微型機器人和傳統(tǒng)機器人結(jié)合實現(xiàn)體內(nèi)狹小腔道的快速高精度遞送；https://www.science.org/doi/full/10.1126/scirobotics.abd2813
香港中文大學(xué)張立教授團(tuán)隊主頁：http://www.cuhklizhanggroup.com/
