MIT-ingenieurs hebben een opneembare, Jell-O-achtige pil die, bij het bereiken van de maag, zwelt snel op tot de grootte van een zachte, squishy pingpongbal die groot genoeg is om voor langere tijd in de maag te blijven.

De opblaasbare pil is ingebed met een sensor die de temperatuur van de maag tot 30 dagen continu meet. Als de pil uit de maag moet worden verwijderd, een patiënt kan een oplossing van calcium drinken die ervoor zorgt dat de pil snel krimpt tot zijn oorspronkelijke grootte en veilig het lichaam verlaat.

De nieuwe pil is gemaakt van twee soorten hydrogels:mengsels van polymeren en water die lijken op de consistentie van Jell-O. Door de combinatie kan de pil snel opzwellen in de maag terwijl hij ongevoelig blijft voor de kolkende zure omgeving van de maag.

Het op hydrogel gebaseerde ontwerp is zachter, meer biocompatibel, en duurzamer dan de huidige opneembare sensoren, die ofwel maar een paar dagen in de maag kunnen blijven, of zijn gemaakt van harde kunststoffen of metalen die orden van grootte stijver zijn dan het maag-darmkanaal.

"De droom is om een ​​Jell-O-achtige slimme pil te hebben, dat eenmaal ingeslikt in de maag blijft en de gezondheid van de patiënt gedurende lange tijd, zoals een maand, bewaakt, " zegt Xuanhe Zhao, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde aan het MIT.

Zhao en senior medewerker Giovanni Traverso, een gastwetenschapper die in 2019 aan de faculteit MIT gaat werken, samen met hoofdauteurs Xinyue Liu, Christoffel Steiger, en Shaoting Lin, hebben hun resultaten gepubliceerd in Natuurcommunicatie .

Pillen, pingpongen, en kogelvissen

Het ontwerp voor de nieuwe opblaasbare pil is geïnspireerd op de afweermechanismen van de kogelvis, of kogelvis. Normaal gesproken een langzaam bewegende soort, de kogelvis zal snel opblazen als hij wordt bedreigd, als een stekelige ballon. Het doet dit door een grote hoeveelheid water aan te zuigen, snel.

De puffer is taai, snel opblazend lichaam was precies wat Zhao wilde repliceren in hydrogelvorm. Het team was op zoek naar manieren om een ​​op hydrogel gebaseerde pil te ontwerpen om sensoren in de maag te dragen en daar te blijven om te controleren, bijvoorbeeld, vitale functies of ziektetoestanden voor een relatief lange periode.

Ze realiseerden zich dat als een pil klein genoeg was om te worden ingeslikt en door de slokdarm ging, het zou ook klein genoeg zijn om uit de maag te gaan, door een opening die bekend staat als de pylorus. Om te voorkomen dat het de maag verlaat, de groep zou de pil moeten ontwerpen om snel op te zwellen tot de grootte van een pingpongbal.

"Momenteel, wanneer mensen deze zeer zwelbare gels proberen te ontwerpen, ze gebruiken meestal diffusie, water geleidelijk in het hydrogelnetwerk laten diffunderen, " zegt Liu. "Maar om op te zwellen tot de grootte van een pingpongbal duurt uren, of zelfs dagen. Het is langer dan de maagledigingstijd."

De onderzoekers zochten in plaats daarvan naar manieren om een ​​hydrogelpil te ontwerpen die veel sneller kon worden opgeblazen, met een snelheid die vergelijkbaar is met die van een geschrokken kogelvis.

Een opneembare tracker

Het ontwerp waar ze uiteindelijk op belandden, lijkt op een kleine, Jell-O-achtige capsule, gemaakt van twee hydrogelmaterialen. Het binnenmateriaal bevat natriumpolyacrylaat - superabsorberende deeltjes die worden gebruikt in commerciële producten zoals luiers vanwege hun vermogen om snel vloeistof op te nemen en op te blazen.

De onderzoekers realiseerden zich, echter, dat als de pil alleen van deze deeltjes was gemaakt, het zou onmiddellijk uit elkaar vallen en als afzonderlijke kralen uit de maag verdwijnen. Dus ontwierpen ze een tweede, beschermende hydrogellaag om de snel opzwellende deeltjes in te kapselen. Dit buitenmembraan is gemaakt van een groot aantal nanoscopische, kristallijne ketens, elk gevouwen over een ander, in een bijna ondoordringbare, gridlock patroon.

"Je zou door vele kristallijne domeinen moeten breken om dit membraan te breken, " zegt Lin. "Dat maakt deze hydrogel extreem robuust, en op hetzelfde moment, zacht."

In het labortorium, de onderzoekers doopten de pil in verschillende oplossingen van water en vloeistof die op maagsappen leken, en ontdekte dat de pil in ongeveer 15 minuten tot 100 keer zijn oorspronkelijke grootte was opgeblazen - veel sneller dan bestaande zwelbare hydrogels. Eenmaal opgeblazen, Zhao zegt dat de pil gaat over de zachtheid van tofu of Jell-O, maar verrassend sterk.

Om de taaiheid van de pil te testen, de onderzoekers hebben er duizenden keren mechanisch in geknepen, bij krachten die zelfs groter zijn dan wat de pil zou ervaren door regelmatige samentrekkingen in de maag.

"De maag past duizenden tot miljoenen belastingcycli toe om voedsel te vermalen, Lin legt uit. "En we ontdekten dat zelfs als we een kleine snee in het membraan maken, en dan rek en knijp het duizenden keren uit, de snede wordt niet groter. Ons ontwerp is zeer robuust."

De onderzoekers stelden verder vast dat een oplossing van calciumionen, in een hogere concentratie dan wat er in melk zit, kan de gezwollen deeltjes krimpen. Dit zorgt ervoor dat de pil leegloopt en uit de maag verdwijnt.

Eindelijk, Steiger en Traverso ingebed klein, commerciële temperatuursensoren in verschillende pillen, en voerde de pillen aan varkens, die magen en maagdarmkanalen hebben die erg op mensen lijken. Het team haalde later de temperatuursensoren uit de ontlasting van de varkens en zette de temperatuurmetingen van de sensoren in de loop van de tijd uit. Ze ontdekten dat de sensor de dagelijkse activiteitspatronen van de dieren tot 30 dagen nauwkeurig kon volgen.

Aan het einde van de weg, de onderzoekers stellen zich voor dat de pil veilig een aantal verschillende sensoren aan de maag kan afleveren om te controleren, bijvoorbeeld, pH-waarden, of tekenen van bepaalde bacteriën of virussen. Kleine camera's kunnen ook in de pillen worden ingebed om de voortgang van tumoren of zweren in beeld te brengen, in de loop van enkele weken. Zhao zegt dat de pil ook kan worden gebruikt als een veiliger, comfortabeler alternatief voor het maagballondieet, een vorm van dieetcontrole waarbij een ballon door de slokdarm van een patiënt in de maag wordt gestoken, met behulp van een endoscoop.

"Met ons ontwerp je hoeft geen pijnlijk proces te ondergaan om een ​​stijve ballon te implanteren, " zegt Zhao. "Misschien kun je in plaats daarvan een paar van deze pillen nemen, om je maag te vullen, en afvallen. We zien veel mogelijkheden voor dit hydrogelapparaat."