普渡大學開發3D列印膠囊，能夠對人類胃內的細菌進行採樣

2020年8月14日，白令三維獲悉，普渡大學的研究人員開發了一種3D列印膠囊，能夠對人類胃內的細菌進行採樣。這種列印的藥丸能夠發揮結腸鏡的作用，捕獲細菌（稱為生物群），不僅僅是結腸內的細菌，而是整個胃腸道的細菌。這種 "腸道鏡 "技術可以和現有的結腸鏡檢查流程一起部署，以便更好地了解腸道疾病。

普渡大學材料工程助理教授Rahim Rahimi說："這能夠在腸道的任何地方採集細菌樣本，這在以前是不可能的。"

結腸鏡和3D列印藥丸

在過去的十年中，研究已經確定了胃部生物失衡（生物失調）與糖尿病、肥胖症和代謝症候群等疾病之間的聯繫。特定細菌種類的存在也會改變某些藥物的代謝，如化療藥物和抗病毒藥物。因此，微生物組採樣對了解微生物群-藥物相互作用非常重要，它為開發患者特異性用藥提供了可能。

大多數已有的研究都是採用外源採樣方法進行的，這種方法依賴於糞便的收集。由於糞便標本中的腸道細菌只有一部分是可以培養的，因此，為了能夠直接從消化道中提取微生物，人們做出了重大努力。腸道本身有9米長，其直徑因患者而異，所以直接取樣有很多挑戰。目前的結腸鏡和胃鏡檢查方法僅限於在某些部位取樣，而且可能是侵入性的，導致患者不配合。

智能功能膠囊提供了另一種方法，通過沿消化道的目標位置取菌。PillCam膠囊內窺鏡(CE)技術已經商業化，作為傳統內窺鏡的非侵入性替代方法被廣泛使用。儘管PillCam具有視頻診斷能力，但它仍然缺乏在膠囊內收集和存儲樣本的能力。電池驅動的採樣膠囊也已經被開發出來，但在測試過程中，故障已經將設備擱淺在患者體內。

"無源驅動 "採樣提供了一個更緊湊、更安全、更便宜的選擇。在被動式設計中，膠囊通過蠕動運動在胃腸道中移動，平均速度為1-2釐米/分鐘-1。此前對創建被動膠囊的嘗試形式各異。 2015年的一項多中心研究，成功創建了壓縮網狀海綿形式的被動藥丸，但這是通過一根繩子收回的，給患者帶來不適。

普渡大學研究人員的膠囊是為了提供一種創傷性較小的監測腸道疾病的方法

普渡大學團隊的新膠囊設計

在一種新穎的方法中，普渡大學的團隊創造了一種膠囊，利用高吸水性水凝膠的膨脹特性來收集生物有機體。水凝膠具有超強的吸水性，在水環境中可以吸收150-300倍於自身重量的物質，是儲存細菌的理想選擇。將水凝膠的吸收能力融入到藥片中，使得該裝置能夠以非侵入性的方式，進入以前無法到達的消化道區域。

藥片本身由四部分組成：可生物降解腸道塗層、3D列印外殼、採樣水凝膠和氣體滲透PDMS膜。利用Form 2 3D印表機，研究團隊用一種生物相容性的光固化聚合物製造了藥片。每個膠囊直徑為9毫米，長度為15毫米，包含採樣水凝膠以及1毫米厚的膜。

在實踐中，藥丸被吞下，其可生物降解的腸道塗層會延遲它被激活，直到它到達目標位置。一旦到了那裡，塗層就會溶解，使胃腸道液體充滿設備。當脫水水凝膠在藥丸內膨脹時，它會將PDMS膜推到膠囊的孔上，一旦裝滿就起到密封裝置的作用。

測試普渡丸的療效

為了評估他們新開發的藥丸，該團隊進行了一系列洩漏測試和體外細菌採樣。為了評估該裝置的密封機制，將一個組裝好的膠囊和一個單獨的水凝膠分別浸泡在氯化鈉溶液和DI水中8小時。還添加了紅色的食用色素，這樣可以很容易地識別兩個水凝膠之間的吸收水平。

小結紫外可見光譜測量結果顯示，在實驗過程中，膠囊內沒有新鮮介質。密封膠囊和純DI水的吸收水平被證明是相當的，並且隨著時間的推移保持穩定。因此，試驗證實，密封膠囊內的水凝膠和氯化鈉溶液之間沒有發生液體交換。

為了驗證該裝置對細菌的採樣能力，研究人員將膠囊浸泡在培養液中，模擬消化道環境。將三個完全組裝好的膠囊和一組裸露的水凝膠樣品分別浸入三種不同的溶液中一小時。這些條件被設計成對細菌有敵意，並挑戰其3D列印藥丸中生物群的生存能力。

橫斷面SEM圖像後來證實了細菌在水凝膠表面的存在，大腸桿菌能夠附著在凝膠的固體聚合物網絡上。進一步的測試涉及使用漂白劑和抗生素Tobramycin的組合，以模擬最惡劣的可信環境。在所有條件下，裸露的水凝膠與從密封膠囊內提取的細菌相比，活菌數量較少。

雖然在漂白劑評估下維持的活菌樣本較少，但仍有相當數量的活菌存活，進一步證明了水凝膠提供了一個培養的棲息地。普渡團隊認為，該藥丸成本低、設計簡單，未來可在臨床上廣泛應用。同時，研究人員將專注於針對特定的樣本位置，並利用動物模型進行體內測試。