胃肠道（胃肠道）最常见，最有效的诊断方法之一是内窥镜检查。 患者进行手术，躺在桶上（通常但并非总是如此），好医生会通过自然方式将内窥镜探头插入体内。 对于患者来说，在此过程中几乎没有令人愉快的感觉。 但是，此方法使您可以识别某些组织损伤或消化道内疾病的表现。
1997年，Gaby Iddan和Paul Swain创造了一种新型的内窥镜检查方法：囊膜检查，病人用几个小时的摄像头吞下“药丸”即可拍摄成千上万张照片。 然而，将异物引入人体的过程总是充满某些风险。 完成工作的一次性胶囊自然会从体内排出，但是当它决定远离时，也会发生事故。 在这种令人沮丧的情况下，必须执行特殊的操作将其删除。 更确切地说，它曾经是，因为来自MIT（美国麻萨诸塞州理工学院）的科学家开发了一种新型胶囊，当暴露于光线时会破裂。 哪种材料是新设备的基础，如何激活自我破坏模式，接下来会发生什么？ 我们从科学家的报告中了解到这一点。 走吧
学习基础
新型内窥镜胶囊的基础已经成为一种特殊的材料-水凝胶。 该物质的生物相容性和吸收特性类似于生物组织的特性，这使其成为用于医疗器械的理想建筑材料。 基于水凝胶的探针的开发已经进行了很长时间，并且由此产生的设备在其预期目的和激活自毁方法方面都各不相同。 此时，控制水凝胶探针的最常见方法是温度，电磁波，pH和化学药品。 所有这些方法都会导致探针材料发生某种反应，从而激起它们的激活或自我毁灭（但没有像间谍和秘密实验室中的电影那样大的“泛滥”）。
但是，研究人员说，每种控制方法都有其缺点。 因此，热控制可能会对设备周围的组织产生负面影响，并且设备本身发出的电磁波可能会干扰更经典的诊断（例如MRI）。 如果已将探针引入人体的特定区域以适合设备的相当狭窄的pH范围，则只能用pH值控制探针。 然而，化学控制要求探针和化学试剂之间直接接触，如果此复杂过程未正确执行，这也可能对周围组织产生不利影响。
换句话说，有各种各样的方法，但是所有方法都有些糟糕或不完整。 据研究人员称，具有自分解能力的探针应具有许多重要特征：生物相容性，非接触式激活/失活，空间控制，溶解度和动态传递（无侵入性方法）。
光学探针在此框架中比其他探针更适合。 这种设备可以在人体的任何部位使用，但是科学家对胃肠道特别感兴趣，因为动态环境会导致其他方法（pH，化学或热学方法）对健康产生负面影响。 激活胶囊分解的发达光触发不会对患者的健康产生不利影响，因为它实际上不会影响其所在的环境。
水凝胶是不同的，因此，它们对某些触发因素（外部刺激）的反应不同。 科学家发现，暴露于蓝光（365-405 nm）时，由丙烯酸酯化的邻硝基苄基（oNB）聚合的聚乙二醇（PEG，C
2n H
4n + 2 O
n +1 ）制成的水凝胶可以被活化。 由这种水凝胶产生的探针的衰变产物是完全生物相容的，即。 对消化道组织安全。
研究成果
首先，值得考虑制备水凝胶的过程。 单体链两端的丙烯酸酯官能团很容易形成键，通过自由基聚合形成组合的三维网络。
图片编号1因此，对于基于丙烯酸酯键（
1A ）的任何聚合物网络而言，包含易于裂解的oNB片段且仅限于丙烯酸酯官能团的聚合物都可用作光学敏感的连接剂（粘合剂）。 由光引起的接头的分解导致网络自身破坏的受控过程。 另外，oNB接头可以以各种比例与丙烯酸类接头混合。 此功能使您可以控制三维聚合物网络从局部到完整的衰减程度。
合成oNB接头的基础物质是PEG 4-（3-（1-丙烯酰氧基乙基）-4-硝基苯氧基）丁酸酯（
1B ）。
应用的水凝胶合成技术使您可以创建具有单网络和双网络的凝胶。 双重凝胶由共价结合的聚合物的互穿网络组成。 此选项的特点是增加的可扩展性和冲击强度。 先前的研究表明，聚（丙烯酰胺）和聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸）（
2A ）互穿网络的机械性能得到改善。
图片2：PAAM-聚丙烯酰胺，简称PAA； PAMPS-聚（2-丙烯酰胺基-2-甲基丙烷磺酸），缩写H-AMS。这种类型的水凝胶（H-AMS / PAA）具有高度的生物相容性。 自我甚至被提供为制造人造软骨的材料。 此外，这种材料在300至800 nm的波长范围内是透明的，这使其成为制作带有光触发的探头的理想选择。
H-AMS / PAA凝胶的刚度和可延展性可以通过改变形成主链的单体链的长度和浓度，以及通过改变预聚物溶液中接头的浓度来控制。
对具有单和双网络的水凝胶的比较分析表明，oNB-H-AMS / PAA凝胶（双网络）比oNB-PAA凝胶（单网络）强12倍（
2B ）。 当测试凝胶的压缩性时，观察到类似的趋势。 通过MBAA丙烯酸酯连接基团（N，N'-亚甲基双丙烯酰胺）结合的N-AMS / PAA凝胶在149±49 kPa处开始分解，被oNB连接基团结合的N-AMS / PAA凝胶在40.8±3.2 kPa处开始分解。 因此，由接头形成的oNBs比由MBAA形成的水凝胶的刚性低，这可能是由于光敏接头的链长增加。
记住压缩是很重要的，因为一个人的最大胃压范围为0.01到0.013 MPa。 发现开发的oNB的压缩模块超出了此数据。
双网络凝胶的细胞毒性在正常范围内（
2C ）。 为了证实这一点，使用肠细胞HT29和Caco-2，将它们与凝胶一起温育，然后进行细胞活力分析。
第二个是水凝胶，仅次于水凝胶，它是导致光分解的重要部分。 分解的程度和速度可以通过调整各种参数来控制和变化：光强度，波长，光敏性ONB接头在凝胶中的组成和分布。
为了检查每个参数对凝胶的机械性能的影响，创建了一个特殊的装置来控制光的强度和与光源的距离。 在安装的平台上，可以安装1至5个LED，这些LED发出波长为365或405 nm的光。 将数字曝光计放在样品平台上，这对于测量来自一个，三个或五个365 nm LED（
3A ）的光强度是必需的。
图片编号3理论上，光强度和距离应具有平方反比关系，这在实践中已得到成功证实。
使用流变学测试监测了oNB水凝胶对光暴露的动态降解。
用三个LED（365 nm）的矩阵辐照PAA-oNB凝胶45分钟，并在0、15、30和45分钟（
3B ）后测量剪切模量（
G ）。 从分解开始到15分钟后，位于凝胶正上方（距离0 mm）的光源的功率下降到52％，在30分钟后下降到28％，在45分钟后下降到25％。
凝胶降解45分钟后，从光源到5 mm，10 mm，15 mm和30 mm的距离增加，导致剪切模量降至其初始值的32％，37％，50％和95％。 由于光强度从0mm距离处的几乎11.4mW / cm
2下降到30mm距离处的0.9mW / cm
2 ，这证明了降解程度对凝胶所经历的光强度的显着依赖性。
我们记得，水凝胶中光敏接头的百分比决定了凝胶的分解程度。 仅使用oNB接头即可实现完全溶解，而将oNB与其他丙烯酸酯化接头混合时会发生部分溶解。
在具有50％，75％和90％oNB接头含量（
3C ）的凝胶上进行辐射后0和45分钟的PAA-oNB凝胶剪切模量的测量。 在这些凝胶变体的每一个中，其余都被MBAA接头占据，这对于形成3D水凝胶网络是必不可少的：分别为50％，25％和10％。 如所预期的，在用11.4mW / cm
2的波长为365nm的光照射45分钟后，水凝胶中光可裂解的连接物的分数的增加导致凝胶的机械强度显着降低。 对于包含50％，75％和90％oNB接头的凝胶，降解后的凝胶的剪切模量分别降至其初始预降解值的85％，52％和25％。
水凝胶中oNB接头百分比的增加会降低水凝胶在其预分解状态下的机械强度，因为MBAA接头比oNB接头分子更短且更硬（
2B ）。 因此，在光灵敏度和最大机械强度之间需要权衡。
改变材料对光的响应的另一个参数是该光的波长。 oNB接头对波长在365至405 nm之间的蓝光敏感。 实验表明，这种凝胶在暴露于高频辐射下会更好地破裂。
在11.4 mW / cm
2和405 nm波长下照射45分钟后，凝胶剪切模量降至其原始值的73％，而在365 nm处降至25％（
3D ）。 考虑到这种对照射的凝胶光波长的敏感性以及控制曝光时间的能力，有可能获得一种凝胶，该凝胶将根据设计阶段提出的要求进行分解。
我们记得，在分解之前，已经在材料状态下评估了ONB连接子的细胞毒性（建立了完全的生物相容性）。 光降解后的细胞毒性分析表明，降解副产物也具有细胞相容性（
3E ）。
研究人员提醒我们，目前有许多用于治疗和诊断的设备应在患者的消化道中放置一定时间。 这种装置的分解是基于组成它们的材料的特性。 通常，移除此类设备需要手术干预。 一个明显的例子是减肥（胃内）气球，该气球放置在患者的胃中以减少食物摄入（肥胖症的外科治疗）。 这些气瓶只能通过内窥镜手术移除。 另一个例子是支架-圆柱形空心支架，将其放置在对空心器官的损害中，以扩大疾病所致狭窄的区域。 这些设备也只能通过外科手术移除。
在他们的研究中，科学家建议更改这两种设备（圆柱体和支架），以使它们由于患者体内的光照而自行分解，而无需进行手术。
基于水凝胶的自分解减肥气球项目
由水凝胶制造气球存在许多问题，因为该装置必须在相当困难的条件下工作，因为同时存在多个因素：体温，胃酸度，湿度，细菌种群，酶元素。 另外，该装置起初应足够小以容易地穿过食道，并且在到达胃部后扩展至所需的功能尺寸，这再次消除了手术干预的需要。 除了化学和物理作用外，还夸张地说还有机械作用。 尽管使用3 N的力进行蠕动，但胃中的设备仍应正常工作。
图片编号4分解激活后，球囊将开始减小尺寸，因此，球囊应变得足够小（
4A ）以穿过幽门（括约肌，实际上将胃与十二指肠分开）。
科学家们用一种充满弹性的多孔聚合物壳制成了一个气球，里面充满了一种物质，这种物质在潮湿时会迅速膨胀。 以圆柱销的形式模制的ONB水凝胶通过圆柱体的开口端缠绕在一起，对其进行密封，并防止膨胀填料从圆柱体（
4B ）的聚合物外壳中逸出。 作为材料，选择了由4 M PAA和0.1 mol％oNB组成的坚固但具有足够弹性的水凝胶组合物。
证明胃内产生的水凝胶气球膨胀。人工胃液中气球的初步测试使我们能够优化许多参数，包括聚合物外壳的孔隙度和填充材料（水凝胶）的组成。 因此，获得了最佳的设计参数：气缸膨胀率，膨胀比和形状保持时间。 乳胶膜包含一系列大小为300μm的孔，其中填充有聚丙烯酸钠（150 mg）和PolySnow（1350 mg）。
与原始体积相比，设计的气球尺寸增加了22倍，达到71 ml。 该体积的预期寿命为24小时。
接下来，科学家决定检查气球如何响应胃的压力蠕动力。 为此，进行了测试，其中将溶胀后24小时内向设备施加循环压力（10 N）。 观察结果没有发现对壳体或水凝胶的任何机械损伤，这可以通过不存在填料泄漏来证实。
接下来，以11.4mW / cm
2的波长365nm的光照射水凝胶棒的中心点30分钟，然后使用循环压力再次检查。 受光削弱的水凝胶无法承受3 N的力，因此填料泄漏出来。 因此，这样的装置将在胃环境中完美地工作，并且如果必要的话，将其移除就足以激活光信号，这将导致水凝胶的减弱。
由于约克郡猪的胃肠道解剖参数与人类非常相似，因此在约重65至85公斤的约克夏猪的参与下进行了实际测试。
将气瓶插入食道。 内窥镜检查和X线检查证实肿胀成功（
4C ）。 该设备可在胃中完全正常工作，而不会造成任何损害，并且不会对猪的身体产生负面影响。 然后，使用改良的内窥镜激活光（3个LED，365 nm，11.4 mW / cm
2 ），这又激活了分解过程（
4D ）。 这种激活方法是侵入性的，因为必须引入内窥镜来打开LED。 但是，第二种非侵入性方法是通过带有磁铁的电池上的LED产生的，当通过食道引入时，该LED可连接到球囊并激活其分解（
4E ）。
内窥镜将LED和气囊对接在胃内。成功连接LED和气球后，将灯打开70分钟（而不是30分钟），以检查光强度从11.4到5.19 mW / cm
2的降低，同时保持恒定的能量密度（25.2 J / cm
2 ）。
当气球和LED漂浮在胃液中时，LED的对接发生在将其放置在胃内后的几分钟内。 胃部的蠕动导致这些设备彼此足够靠近，从而激活了LED对气球的磁吸引。 分解激活后（6小时后），重复进行X射线（
4F ），显示气球尺寸显着减小。
分解激活后一小时，由内窥镜和自主LED引起分解的圆柱体的体积分别减少至初始（
4G ）的68％和70％。
研究人员声称，他们通过内窥镜曝光或通过磁性LED实际激活气球的方法只是一种选择。 将来，您可以创建不需要相同内窥镜的更方便的方法。 还需要研究连接LED和气球所需的时间，因为有许多变量会影响此指标：胃的大小，胃的状态（饱腹感/饥饿感），胃的内容等。
基于水凝胶的自降解支架项目
基于水凝胶，创建了一个支架以安装在食道中，以用于潜在的结构支持和/或局部递送药物。 一个简单的圆柱环（
4I ）是由带有聚（ε-己内酯）珠（PCL）的ONB水凝胶制成的。 PCL是一种广泛用于控制药物释放的聚合物（
4H ），该设备的材料包含4 M H-AMS和4 mol％的oNB接头。
环上的PCL插入物特别用硫酸钡混合物染色，使它们不透射线，这使得它们可以通过猪食道内部的X射线看到（
4J ）。
在实际观察之前，已发现所制造的支架能够承受食道壁的蠕动振动。 , 25% (
4 ). (
4L ). , , , .
为了更详尽地了解这项研究的细微差别，我建议您研究一下
科学家的
报告和
其他材料 。
结语
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, , . :)
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