物體間的連結關係設計。凝膠材料能在腸道接近中性酸鹼值分解。

物體間的連結關係設計。凝膠材料能在腸道接近中性酸鹼值分解。[email protected] CC BY-ND 2.0

設計產品進入消化道

大人小孩或者寵物不小心吞進一些物品,很讓人擔心,主要是怕吞進去的東西在腸胃道塞住,會非常危險,還需要開刀取出;但你可能也聽說過不少案例,過幾天就隨著大號排出來了。其實,藥物釋放的技術裡,有不少狀況,反而是希望吃進去的藥物能待在體內一段時間,讓藥物在適當的位置釋放;而另有小型的醫材像是攝影機或晶片,也希望能待在胃裡一段時間來做減肥或治療。然而,生物體的消化道各位置有不同的酸鹼值(pH),可能分解吃進去的食物。那麼要如何設計一個產品,能耐受不同的酸鹼值,還能保有彈性變形的空間,最後順利進入不同大小的消化道,是最大的挑戰。

新材料凝膠耐胃酸

美國「麻州理工學院」(MIT)的「寇克綜合癌症研究所」(Koch Institute for Integrative Cancer Research)和「麻州總醫院」(Massachusetts General Hospital, MGH)合作開發一種化合物凝膠,這種凝膠的產品因為具有彈性,所以可以壓縮成小體積,可直接吞進去或者利用內視鏡放入胃內,之後便張開恢復原形,還能在胃裡面待上數天,不會被分解;若被推擠進入腸道,則會因為腸道接近中性的酸鹼值而分解,如此就能順利排出體外,不用擔心會堵塞消化道的危險。

這個化合物凝膠的產生,是先合成彈性化合物,加入臨床使用的腸道相容化合物,之後加入鹽酸(hydrochloric acid, HCl),然後做離心而產生一種由韌性、彈性的化合物凝膠,同時具有彈性和腸道相容性。

尺寸設計的考量

要設計一個能胃內待較久的裝置,除了要注意腸胃道內的酸鹼值,還要注意該裝置應具備適當的尺寸和形狀,以便能夠順利進入胃部。依據現有的資訊,在胃和腸連結處的幽門內徑約1.5-2.0公分,而食道通常也只比幽門大一點而已。所以膠囊或者小型裝置必須設計得夠小,才能夠順利通過食道進入胃部,但也因為這樣的尺寸和幽門差不多,所以裝置很容易就直接通過胃部、幽門,然後溜進腸道。而這與原來設定的目標–「膠囊或裝置必須要在胃內做長時間存留」並不相同。所以,不能僅僅在裝置的尺寸上面想辦法,還需要搭配其他方法以達到目的。

醫材動物實驗

為了測試這個新裝置的材料性能,研究員利用了無毒性、可分解的「聚己内酯」(polycaprolactone, PCL)來建構這個醫療裝置,先將這些PCL分別做成一小段圓弧狀,並利用開發的新材料–凝膠將這些一小段一小段的PCL黏結起來(可以想像類似一條橡皮筋先切成一小段、一小段,再用黏膠連結起來,成為一個圓圈),這個彈性裝置的直徑約3公分,比幽門的內徑大一些。(點這裡看圖片)接下來,將這個裝置「摺疊」成較小的形狀,這樣就能很方便地通過豬隻的食道進入胃部,根據實驗觀察,在15分鐘內,這個裝置就完全伸展開,恢復成原來的形狀,且在胃內停留了七天;而當這個裝置被胃部連續幾天推擠,最後終於通過幽門,進入小腸之後,使用新材料的凝膠便開始分解,成為較小的PCL碎片,不會造成阻塞。

未來藥物釋放應用

這個同時具有彈性和特殊酸鹼值反應的材料,可用在很多需要存在胃內的醫療和藥物裝置設計。開發團隊很希望能更精進這個設計,進而用在藥物釋放上。

文章參考:MIT News
圖片來源:EagleCam@Flickr  CC BY-ND 2.0
原文參考:nature materials



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BioMeder

生醫人網摘的編輯。熱愛創新和用腦袋的事物,堅持文章一定要有邏輯性,藉由追蹤報導生醫領域的創新和應用來傳播知識。