受寄生虫启发：哈佛工程师推出下一代可摄入设备，用于先进生物医学传感
可摄入设备常用于研究和治疗身体难以到达部位的组织。通常以药丸形式吞咽，这些胶囊通过消化道移动，捕捉图像或输送药物。虽然最简单的设备会被动地穿过肠道，但在许多应用中，设备能够附着在组织或其他柔性表面上是有益的。
许多生物学启发的解决方案已经存在，例如从苍耳子启发的魔术贴到蛞蝓启发的医用粘合剂，但将按需和可逆的附着机制整合到毫米级设备中，用于生物医学传感和诊断仍然是一个挑战。
由哈佛约翰·保尔森工程与应用科学学院（SEAS）的罗伯特·伍德（Robert Wood）教授和哈佛怀斯研究所的詹姆斯·韦弗（James Weaver）领导的一项新的跨学科努力，从一个意想不到的来源——寄生虫世界中汲取了灵感。
“由于其常常令人恐惧的身体形态和看似科幻电影中的生命周期，寄生虫在公众中有着相当不好的名声，”韦弗说，“然而，重要的是要意识到这些物种特别擅长使用多种多样的物种和组织特异性附着器官，锚定在各种不同的宿主组织类型上。这些特征使它们成为开发特定应用合成组织锚定机制的理想模型系统。”
“模仿这些复杂生物结构的形态和功能是一个极其具有挑战性的问题，需要来自机器人学、微制造、医疗器械设计和无脊椎动物学等多个领域的专业知识，”伍德说。
这项研究发表在《PNAS Nexus》上。
模拟绦虫附着机制
为了初步验证概念，研究人员模拟了几种肠道绦虫中发现的环形钩状附着器官，采用了一种受印刷电路板行业启发的多材料、分层制造方法。该机制的一个关键设计特点是其径向对称架构，这使得从简单的平面组件创建出生物准确的运动范围成为可能。
“使用相对简单的连杆机制可以利用层压制造工艺，这比传统的制造方法具有多个优势，”来自瑞士联邦技术学院洛桑分校的访问研究生加布里埃尔·马奎尼亚兹（Gabriel Maquignaz）说，他是该论文的第一作者。
“例如，这些设备可以平铺制造，然后通过类似于弹出式书籍的自动化过程快速轻松地折叠成最终的3D几何形状，”SEAS的高级电气工程师迈克·卡尔普森（Mike Karpelson）说，他也是这一制造流程的专家。
此外，由于其快速的周转时间和制造设备的小尺寸，这种制造方法在设备研发阶段提供了一种低浪费的原型制作方法。
设备的设计与功能
最终的设备设计包含刚性的不锈钢结构部件，粘合到聚合物铰链上。整个设备在展开时直径不到5毫米，重量仅为44微克。当它接触组织表面时，触发机制被激活，导致锚定钩旋转并穿透相邻的软组织。由于每个钩子都沿着弯曲的轨迹移动，因此它只会立即沿着穿透路径刺穿皮肤——就像绦虫的钩子一样，造成最小的组织损伤。由于设备的小尺寸及其集成的弹性弹簧，钩子可以在不到1毫秒的时间内部署。
作者进一步指出，由于这种制造方法的相对简单性和适应性，未来版本的设备可以进一步缩小尺寸。
“我们非常兴奋地将这些研究中学到的经验应用于进一步扩大设计空间，包括其他寄生虫体型和其他生物组织和治疗应用，”SEAS的博士候选人瑞秋·佐尔（Rachel Zoll）说，她也是该论文的第二作者。
“这项研究工作的一个最引人注目的方面是，它为探索寄生虫固着解剖结构如何影响人类病理提供了急需的实验平台，”加州大学圣巴巴拉分校的寄生虫学教授阿曼德·库里斯（Armand Kuris）说，他没有参与这项研究。“这代表了医学寄生虫学的一个未充分探索的方面，我很期待看到这项研究将带来什么。”
除了文章的主要关注点——生物医学应用之外，作者还设想将这项技术应用于非医疗应用，如野生动物监测的可逆粘附标签，以及基于纺织材料的传感平台。
参考文献：“设计和制造受寄生虫启发的毫米级组织锚定机制”，作者：加布里埃尔·马奎尼亚兹、瑞秋·佐尔、迈克·卡尔普森、詹姆斯·C·韦弗和罗伯特·J·伍德，2024年12月3日，《PNAS Nexus》。
DOI: 10.1093/pnasnexus/pgae495
这项工作得到了美国国家科学基金会研究生研究奖学金的支持，资助编号为2140743。
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