一种自供电的可食用传感器为肠道研究开辟了新的途径
工程研究人员开发了一种无电池、药丸状的可消化生物传感系统，旨在提供对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。这项技术整合的壮举可以解开对肠道代谢物组成的新认识，这对人类的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，发表在该杂志12月号上自然通讯．
可食用的生物燃料驱动传感器促进了小肠的原位访问，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加州大学圣地亚哥分校的纳米工程研究生、该论文的共同第一作者之一埃内斯托·德·拉巴斯·安德烈斯说:“在猪摄入食物14小时后，每5秒测量一次，持续2到5小时。”“我们的下一步是缩小药片的大小，从目前的2.6厘米长，使它们更容易被人类受试者吞下。”
旧的直接监测小肠内部的方法可能会给患者带来严重的不适，同时只产生持续变化的环境的单一的短数据记录。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。这种“智能药片”的方法可能会带来更简单、更便宜的小肠监测方法，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·梅西尔(Patrick Mercier)说:“目前，对胃和肠道内液体进行取样的方法是做内窥镜检查，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(Joseph Wang)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葡萄糖燃料电池和加州大学圣地亚哥分校纳米工程教授Joseph Wang实验室的尖端电化学传感技术结合起来，我们有机会创造新的模式来理解小肠中发生的事情。”
这种“智能药片”不是电池，而是由一种以葡萄糖为燃料的无毒燃料电池提供动力。
“通过我们的无电池智能药片方法，我们有机会监测小肠的时间远远超过片刻，”王说。
“我们还计划在系统中增加额外的传感器。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种类的信息。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。我希望这类信息将有助于更好地理解变化在小中的作用肠环境对健康和疾病有影响。”
一种测量临界肠道活动的更聪明的方法
大约20%的人会在一生中的某个时刻遭受胃肠道疾病的困扰。这些疾病可能包括炎症性肠病(IBD)、糖尿病或肥胖，所有这些疾病的部分原因都是肠道代谢过程的功能障碍，包括对肠道代谢物的吸收或消化。这类疾病给经济带来了巨大成本，给医疗系统带来了压力。因此，从胃肠道的相关部位获取信息的风险是相当高的。
然而，像加州大学圣地亚哥分校开发的新智能药片系统这样的可食用传感器的开发面临着重大挑战。
王说:“事实证明，要制造一种可食用的设备，配备必要的传感器和电子设备来执行无线读数，而且不需要电池，是很困难的。”
为了解决这些问题，研究团队开发了一种自供电的葡萄糖生物燃料生物传感器，该传感器集成到一个电路中，利用磁性人体通信，通过功率-频率转换方案进行能量收集、生物传感和无线遥测。
独特的无电池操作是由团队的葡萄糖生物燃料电池(BFC)实现的，该电池在操作过程中获取电能，同时测量变化的葡萄糖浓度。其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为设备提供动力。”“利用超低功耗电子设备和稳定而小的葡萄糖生物燃料电池实现这一切是我们在这里解决的主要技术挑战。”
这款尚处于概念验证阶段的智能药丸长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过，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片中可用的传感器的数量。这将使监测肠内更多的化学参数成为可能。他们还计划进一步缩小传感器和电子电路，以匹配目前市场上的智能药片。
De La Paz Andres说:“考虑到胃肠道具有pH值、温度和氧浓度的动态变化，未来的工作设想集成额外的传感模式来解释这些差异。”
