MIT -ingenjörer har utformat en förtärbar, Jell-O-liknande piller som, när jag når magen, sväller snabbt till en mjuk, squishy pingisboll som är tillräckligt stor för att stanna i magen under en längre tid.

Det uppblåsbara pillret är inbäddat med en sensor som kontinuerligt spårar magens temperatur i upp till 30 dagar. Om pillret måste tas bort från magen, en patient kan dricka en lösning av kalcium som får pillret att snabbt krympa till sin ursprungliga storlek och passera säkert ut ur kroppen.

Det nya pillret är tillverkat av två typer av hydrogeler-blandningar av polymerer och vatten som liknar konsistensen av Jell-O. Kombinationen gör att pillret snabbt kan svälla i magen medan det förblir ogenomträngligt för magens sura miljö.

Den hydrogelbaserade designen är mjukare, mer biokompatibel, och längre livslängd än nuvarande förtärbara sensorer, som antingen bara kan ligga kvar i magen i några dagar, eller är gjorda av hårdplast eller metaller som är storleksordningen styvare än mag -tarmkanalen.

"Drömmen är att ha ett Jell-O-liknande smart piller, som en gång svalt stannar kvar i magen och övervakar patientens hälsa under lång tid, till exempel en månad, "säger Xuanhe Zhao, docent i maskinteknik vid MIT.

Zhao och senior samarbetspartner Giovanni Traverso, en gästforskare som kommer att ansluta sig till MIT -fakulteten 2019, tillsammans med huvudförfattarna Xinyue Liu, Christoph Steiger, och Shaoting Lin, har publicerat sina resultat i Naturkommunikation .

Biljard, bordtennis, och pufferfish

Designen för det nya uppblåsbara pillret är inspirerat av försvarsmekanismerna för pufferfish, eller blåsfisk. Normalt en långsamt art, pufferfish kommer snabbt att blåsa upp när den hotas, som en taggig ballong. Det gör det genom att suga in en stor mängd vatten, snabb.

Puffern är tuff, snabbuppblåst kropp var exakt vad Zhao ville replikera i hydrogelform. Teamet hade letat efter sätt att designa ett hydrogelbaserat piller för att bära sensorer i magen och stanna där för att övervaka, till exempel, vitala tecken eller sjukdomstillstånd under en relativt lång tid.

De insåg att om ett piller var tillräckligt litet för att sväljas och passera ner i matstrupen, det skulle också vara tillräckligt litet för att passera ut ur magen, genom en öppning som kallas pylorus. För att det inte ska lämna magen, gruppen skulle behöva designa pillret för att snabbt svälla till storleken på en pingisboll.

"För närvarande, när människor försöker designa dessa mycket svällbara geler, de använder vanligtvis diffusion, låta vatten gradvis diffundera in i hydrogelnätet, "Säger Liu." Men att svälla till en pingisbolls storlek tar timmar, eller till och med dagar. Det är längre än tömningstiden för magen. "

Forskarna letade istället efter sätt att designa ett hydrogelpiller som kan blåsa upp mycket snabbare, med en hastighet som är jämförbar med den för en häpen pufferfish.

En förtärbar spårare

Designen de slutligen landade på liknar en liten, Jell-O-liknande kapsel, tillverkad av två hydrogelmaterial. Det inre materialet innehåller natriumpolyakrylat - superabsorberande partiklar som används i kommersiella produkter som blöjor för deras förmåga att snabbt suga upp vätska och blåsa upp.

Forskarna insåg, dock, att om pillret endast gjordes av dessa partiklar, det skulle omedelbart bryta isär och försvinna ur magen som enskilda pärlor. Så de designade en andra, skyddande hydrogelskikt för att inkapsla de snabbt svällande partiklarna. Detta yttre membran är tillverkat av en mängd nanoskopiska, kristallina kedjor, var och en vikad över en annan, i en nästan ogenomtränglig, gridlock -mönster.

"Du måste spricka igenom många kristallina domäner för att bryta detta membran, "Lin säger." Det är det som gör denna hydrogel extremt robust, och på samma gång, mjuk."

I labbet, forskarna dunkade pillret i olika lösningar av vatten och vätska som liknar magsaft, och fann pillret uppblåst till 100 gånger sin ursprungliga storlek på cirka 15 minuter - mycket snabbare än befintliga svällbara hydrogeler. En gång uppblåst, Zhao säger att pillret handlar om mjukheten i tofu eller Jell-O, men förvånansvärt stark.

För att testa pillernas seghet, forskarna pressade det mekaniskt tusentals gånger, vid krafter som är ännu större än vad pillret skulle uppleva vid regelbundna sammandragningar i magen.

"Magen applicerar tusentals på miljontals belastningscykler för att mala ner mat, "Lin förklarar." Och vi fann att även när vi gör ett litet snitt i membranet, och sedan sträcka ut och pressa det tusentals gånger, snittet blir inte större. Vår design är mycket robust. "

Forskarna bestämde vidare att en lösning av kalciumjoner, i en koncentration högre än vad som finns i mjölk, kan krympa de svullna partiklarna. Detta får pillret att tappas ut och passera ut ur magen.

Till sist, Steiger och Traverso inbäddade små, kommersiella temperatursensorer i flera piller, och matade pillerna till grisar, som har mage och mag -tarmkanaler som är mycket lika människor. Teamet hämtade senare temperatursensorerna från grisens avföring och ritade sensornas temperaturmätningar över tid. De fann att sensorn exakt kunde spåra djuren dagliga aktivitetsmönster upp till 30 dagar.

Nerför gatan, forskarna föreställer sig att pillret säkert kan leverera ett antal olika sensorer till magen för att övervaka, till exempel, pH -nivåer, eller tecken på vissa bakterier eller virus. Små kameror kan också vara inbäddade i pillerna för att avbilda utvecklingen av tumörer eller sår, under flera veckor. Zhao säger att pillret också kan användas som ett säkrare, mer bekvämt alternativ till magballongdieten, en form av kostkontroll där en ballong trängs genom en patients matstrupe och in i magen, med hjälp av ett endoskop.

"Med vår design, du skulle inte behöva gå igenom en smärtsam process för att implantera en styv ballong, "Säger Zhao." Kanske kan du ta några av dessa piller istället, för att fylla magen, och gå ner i vikt. Vi ser många möjligheter för denna hydrogel -enhet. "