一种自供电的可食用传感器为肠道研究开辟了新途径
工程研究人员开发了一种无电池、药丸状可食用生物传感系统，旨在提供肠道环境的持续监测。它使科学家能够实时监测肠道代谢物，这在以前是不可能的。这项技术集成的壮举可以解开对肠道代谢物组成的新认识，而肠道代谢物组成对人类整体健康有重大影响。
这项研究由加州大学圣地亚哥分校的工程师领导，发表在12月号的杂志上自然通讯．
可食用的生物燃料驱动传感器有助于原位进入小肠，使葡萄糖监测更容易，同时产生连续的结果。这些测量提供了跟踪整体胃肠道健康的关键组成部分，是研究营养、诊断和治疗各种疾病、预防肥胖等的主要因素。
“在我们的实验中，无电池生物传感器技术持续监测血糖水平这篇论文的第一作者之一、加州大学圣地亚哥分校的纳米工程研究生埃内斯托·德拉巴斯·安德烈斯说:“在猪摄入14小时后，在猪的小肠中每5秒测量一次，持续2到5小时。”“我们的下一步是将目前2.6厘米长的药片缩小，这样人类受试者就更容易吞咽。”
直接监测小肠内部的旧方法可能会导致患者严重不适，同时只产生持续变化的环境的单一短数据记录。相比之下，这种生物传感器可随时间连续读取数据。该平台还可用于开发研究小肠微生物群的新方法。“智能药丸”的方法可能会带来更简单、更便宜的方法来监测小肠，这可能会在未来节省大量成本。
加州大学圣地亚哥分校的电子和计算机工程教授帕特里克·默斯尔说:“目前，对胃和肠道内液体进行取样的方法是进行内窥镜检查，医生将导管插入你的喉咙，进入你的胃肠道。”他和纳米工程教授约瑟夫·王一起领导了这个团队。
Wang和Mercier共同指导加州大学圣地亚哥分校可穿戴传感器中心。Mercier说:“通过将我实验室的超低功耗电路和无线技术与加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Joseph Wang实验室的葡萄糖燃料电池和尖端电化学传感技术相结合，我们有机会创造出新的方式来了解小肠中正在发生的事情。”
这种“智能药丸”不是电池，而是由葡萄糖驱动的无毒燃料电池提供动力。
王说:“有了我们的无电池智能药丸方法，我们有机会监测小肠的时间要长得多，而不仅仅是片刻。”
“我们还计划在系统中添加额外的传感器。我们的目标是为肠道开发一个传感平台，允许在较长时间内收集许多不同类型的信息。我们正在努力证明，我们有很多机会去发现小肠里到底发生了什么。我希望这类信息对更好地理解小变化中的作用有所帮助肠环境在健康和疾病中起作用。”
一种更聪明的测量关键肠道活动的方法
大约20%的人会在一生中的某个阶段遭受胃肠道疾病的折磨。这些疾病可能包括炎症性肠病(IBD)、糖尿病或肥胖，在一定程度上都是由涉及肠道代谢物吸收或消化的肠道过程功能障碍引起的。这类疾病给经济带来了巨大成本，并给卫生保健系统带来了压力。因此，从胃肠道相关部位获取信息的风险相当高。
然而，开发可食用传感器存在重大挑战，例如加州大学圣地亚哥分校开发的新型智能药丸系统。
王说:“事实证明，很难制造出一种具有必要的传感器和电子设备来执行无线读取，而且不需要电池。”
为了解决这些规格问题，研究小组将一种自供电的葡萄糖生物燃料生物传感器集成到电路中，利用磁性人体通信的功率-频率转换方案执行能量收集、生物传感和无线遥测。
该团队的葡萄糖生物燃料电池(BFC)实现了这种独特的无电池操作，可以在操作过程中获得电力，同时测量葡萄糖浓度的变化。其高效节能的磁性人体通信(mHBC)方案在40-200 MHz范围内工作，以接收时间分辨的传输信号。
Mercier说:“它利用肠道中的葡萄糖作为生物燃料来驱动设备。”“利用超低功耗电子设备和稳定而小型的葡萄糖生物燃料电池来实现这一切，是本次研究解决的主要技术挑战。”
这款概念验证智能药丸长2.6厘米，直径0.9厘米。到目前为止,小肠数据记录只在猪身上进行，猪的胃肠道大小与人类相似。
下一个步骤
在这些实验中取得了有希望的结果后，研究人员现在计划增加药丸中可用的传感器数量。这将使监测肠内更多的化学参数成为可能。他们还计划进一步小型化传感器和电子电路，以匹配目前智能药丸市场上的产品。
De La Paz Andres说:“鉴于胃肠道具有pH值、温度和氧气浓度的动态变化，未来的工作设想集成额外的传感方式来解释这些差异。”
