طراحی قرص‌هایی که معده را تحت نظارت قرار می‌دهند

مهندسان MIT، قرص قابل خوردن و ژله‌مانندی را طراحی کرده‌اند که به‌محض رسیدن به معده، به‌اندازه‌ی یک توپ پینگ‌پنگ متورم می‌شود و قادر است برای مدت‌زمان زیادی در معده بماند. این قرص‌ها دارای حسگری هستند که دمای معده را تا سی روز ردیابی می‌کنند.

اگر لازم باشد قرص از معده برداشته شود، بیمار یک محلول کلسیمی را می‌نوشد که موجب می‌شود قرص سریعا به اندازه‌ی اولیه‌ی خود برگردد و بدون مشکلی از بدن خارج شود. این قرص از دو هیدروژل ساخته شده است؛ ترکیبی از پلیمر و آب که شبیه یک قرص ژله‌ای است. این ترکیب این امکان را به قرص می‌دهد که سریعا در معده باد کند و تحت‌تاثیر محیط اسیدی معده قرار نگیرد.

این طرحِ مبتنی بر ژل، نسبت‌به حسگرهای قابل خوردنی که تنها برای چند روز می‌توانند در معده بمانند و از پلاستیک‌ها یا فلزات سختی تولید شده‌اند که جنس آن‌ها بسیار سخت‌تر از لوله‌ی گوارشی است، نرم‌تر و ماندگارتر بوده و در عین‌حال قابلیت سازگاری آن‌ها با بافت‌های بدن بیشتر است. شوئان ژائو استاد مهندسی مکانیک در MIT می‌گوید:

هدف ما داشتن یک قرص ژله‌مانند است که وقتی باد کرد، در معده بماند و وضعیت سلامتی بیمار را برای مدت طولانی مثلا یک ماه تحت نظارت قرار دهد.

طرح این قرص از مکانیسم دفاعی ماهی‌های بادکنکی (pufferfish) الهام گرفته شده است. این‌گونه‌ی ماهی که به‌طور طبیعی دارای حرکت آهسته‌ای است، وقتی درمعرض خطر قرار می‌گیرد، سریعا باد کرده و مانند یک جسم پر از تیغ درمی‌آید. این ماهی این کار را با مکش سریع مقادیر زیادی آب انجام می‌دهد. بدن سخت و سریعا باد شونده‌ی ماهی، همان چیزی بود که ژائو می‌خواست آن را به فرم هیدروژل ایجاد کند.

این گروه پژوهشی به‌دنبال طراحی یک قرض مبتنی بر ژل بودند که بتواند حسگرهایی را وارد معده کند و برای ردیابی علایم حیاتی یا وضعیت بیماری‌ها برای دوره‌ی زمانی نسبتا طولانی در معده بماند. آن‌ها متوجه شدند که اگر قرص به‌اندازه‌ای کوچک باشد که بتواند قورت داده شود و از مری عبور کند، احتمالا به‌اندازه‌ای کوچک خواهد بود که به‌محض باز شدن دریچه‌ی پیلور از معده عبور کند و وارد روده شود. برای جلوگیری از خروج این قرص از معده باید قرصی طراحی می‌شد که بتواند سریعا تا اندازه‌ی یک توپ پینگ‌پنگ متورم شود. لیو یکی از پژوهشگران مطالعه می‌گوید:

در حال‌حاضر، وقتی افراد تلاش می‌کنند که ژل‌های شدیدا قابل تورم را تولید کنند، اغلب از روش انتشار استفاده می‌کنند و به آب اجازه می‌دهند که بتواند به‌تدریج به شبکه‌ی هیدروژل نفوذ کند. اما این ژل برای اینکه به اندازه‌ی یک توپ پینگ‌پنگ برسد، به ساعت‌ها یا حتی روزها زمان نیاز دارد. این زمان خیلی طولانی‌تر از زمان تخلیه‌ی معده است (معده در این فاصله تخلیه شده و قرص خارج می‌شود).

یک دستگاه هیدروژل جدید که طی چند دقیقه در آب، اندازه‌اش به بیش از دوبرابر حجم اولیه می‌رسد

طرح آن‌ها درنهایت به ساخت یک کپسول کوچک ژله‌ای به شکل O انجامید که از دو ماده‌ی هیدروژلی ساخته شده بود. ماده‌ی داخلی حاوی سدیم پلی‌اکریلات (ذراتی که دارای قدرت جذب فوق‌العاده بوده و در محصولات تجاری نظیر پوشک‌ها استفاده می‌شوند) بود. پژوهشگران متوجه شدند که اگر قرص‌ها فقط از این ذرات ساخته شوند، سریعا از هم جدا و به‌صورت دانه‌هایی از معده خارج می‌شوند. بنابراین آن‌ها یک لایه‌ی هیدروژلی محافظ دیگر برای پوشاندن ذرات طراحی کردند. این غشای بیرونی از زنجیره‌های نانوسکوپی کریستالی درهم تنیده، تشکیل شده بود. لین، پژوهشگر دیگر این مطالعه می‌گوید:

برای شکستن این غشا لازم است که واحدهای کریستالی زیادی شکسته شوند. این همان چیزی است که موجب می‌شود که هیدروژل ما در عین نرمی دارای استحکام باشد.

پژوهشگران در آزمایشگاه این قرص‌ها را در محلول‌های مختلف آب و مایعاتی که شبیه شیره‌ی معده بود، غوطه‌ور کردند و دریافتند که اندازه‌ی قرص طی پانزده دقیقه به صد برابر اندازه‌ی اولیه می‌رسد؛ خیلی سریع‌تر از هیدروژل‌های قابل تورم موجود. ژائو می‌گوید:

این قرص وقتی متورم می‌شود، در عین نرمی دارای استحکام شگفت‌آوری است.

پژوهشگران برای آزمایش میزان استحکام قرص آن را تحت فشارهای قوی‌تر از انقباض‌های معده قرار دارند. لین توضیح می‌دهد:

معده برای خرد کردن غذا هزاران و شاید میلیون‌ها بار دچار انقباض می‌شود. ما دریافتیم که حتی وقتی یک برش کوچک در غشای آن ایجاد کنیم و آن را برای هزاران بار دچار کشش و فشردگی کنیم، این برش بزرگ‌تر نمی‌شود. طرح ما بسیار مستحکم است.

پژوهشگران همچنین تصریح کردند که محلولی از یون‌های کلسیم در غلظتی بالاتر از آن‌چه در شیر وجود دارد، می‌تواند موجب جمع شدن ذرات متورم شود. این امر باعث می‌شود قرص از حالت تورم درآمده و از معده عبور کند. و درنهایت، حسگرهای حرارتی کوچکی در چندین قرص تعبیه شد و این قرص‌ها به خوک‌ها که معده و مجرای گوارشی آن‌ها بسیار شبیه به انسان است، خورانده شد.

پس از آن پژوهشگران حسگرهای حرارتی را از مدفوع خوک‌ها جدا کردند و سنجه‌های دمایی حسگرها را طی زمان رسم کردند. آن‌ها دریافتند که این حسگرها توانسته‌اند به‌طور دقیقی الگوی فعالیت روزانه‌ی حیوانات را طی این سی روز پیگیری کنند. هانگینگ ژیانگ استاد دانشگاه آریزونا که در این پژوهش مشارکتی نداشته است، می‌گوید:

ابزارهای الکترونیکی قابل خوردن یک حوزه‌ی درحال پیدایش برای نظارت روی وضعیت‌ فیزیولوژیکی و مارکرهای زیستی است. ابزارهای الکترونیکی قابل خوردن معمول از موادی ساخته می‌شوند که دارای ویژگی سازگاری زیستی با بدن نمی‌باشند. گروه ژائو در حال ایجاد یک جهش جدید در توسعه‌ی دستگاه‌های قابل خوردن مبتنی بر ژل پایدار و سازگار با بدن هستند که به‌طور قابل‌توجهی افق ابزارهای الکترونیکی قابل خوردن را گسترش می‌دهد. این همچنین نمایانگر کاربردی جدید از هیدروژل‌های سختی است که این گروه سال‌ها روی آن کار کرده‌اند.

پژوهشگران تصور می‌کنند که این قرص ممکن است بتواند به‌طور ایمن حسگرهای مختلفی را برای نظارت بر موارد مختلفی نظیر سطوح pH، یا علامت‌های برخی از باکتری‌ها یا ویروس‌ها با خود وارد بدن کند. دوربین‌های کوچکی نیز ممکن است در قرص‌ها تعبیه شود تا پیشرفت تومور یا زخم‌های معده طی دوره‌های زمانی چند هفته‌ای نشان داده شود. ژائو می‌گوید که این قرص ممکن است بتواند به‌جای بالون‌گذاری معده، به‌عنوان روش ایمن‌تر و راحت‌تری استفاده شود؛ فرمی از کنترل رژیم غذایی که در آن بالون با استفاده از یک آندوسکوپ وارد مری و سپس معده‌ی فرد می‌شود. ژائو می‌گوید:

با طرح ما، شما نیازی نخواهد نداشت که فرایند دردناک کاشت یک بالون سفت را تحمل کنید. شاید به‌جای آن شما چند عدد از این قرص‌ها را مصرف کنید تا معده‌ی خود را پر کنید و وزنتان کاهش یابد. ما ظرفیت‌های زیادی در این وسیله‌ی هیدروژلی می‌بینیم.