Pílula expansível, ingerível, monitora o estômago por até um mês

Vídeo do gel expansível

Os engenheiros do MIT projetaram uma pílula ingerível tipo gel que, ao atingir o estômago, rapidamente aumenta para o tamanho de uma bola de pingue-pongue macia e grande o suficiente para permanecer no estômago por um longo período de tempo.

A pílula inflável é incorporada com um sensor que rastreia continuamente a temperatura do estômago por até 30 dias. Se a pílula precisa ser removida do estômago, um paciente pode beber uma solução de cálcio que faz com que a pílula encolha rapidamente até seu tamanho original e passe com segurança para fora do corpo.

A nova pílula é feita a partir de dois tipos de hidrogéis - misturas de polímeros e água que lembram a consistência da gelatina. A combinação permite que a pílula inche rapidamente no estômago, permanecendo impermeável ao ambiente ácido e agitado do estômago.

O design baseado em hidrogel é mais macio, mais biocompatível e duradouro do que os sensores ingeríveis atuais, que só podem permanecer no estômago por alguns dias, ou são feitos de plásticos duros ou metais que são ordens de magnitude mais rígidas do que as gastrointestinais. trato.

"O sonho é ter uma pílula inteligente tipo gel, que uma vez ingerida fica no estômago e monitora a saúde do paciente por um longo período, como um mês", diz Xuanhe Zhao, professor associado de engenharia mecânica do MIT.

Zhao e o colaborador sênior Giovanni Traverso, um cientista visitante que se juntará ao corpo docente do MIT em 2019, juntamente com os principais autores Xinyue Liu, Christoph Steiger e Shaoting Lin, publicaram seus resultados na Nature Communications .

Comprimidos, pingue-pongue e baiacu

O design da nova pílula inflável é inspirado nos mecanismos de defesa do baiacu. Normalmente, uma espécie que se move lentamente, o baiacu irá inflar rapidamente quando ameaçado, como um balão espetado. Faz isso sugando uma grande quantidade de água, rápido.

O corpo duro e inflável do baiacu era exatamente o que Zhao queria replicar na forma de hidrogel. A equipe estava procurando maneiras de projetar uma pílula baseada em hidrogel para transportar sensores para o estômago e ficar lá para monitorar, por exemplo, sinais vitais ou estados de doença por um período de tempo relativamente longo.

Eles perceberam que se uma pílula fosse pequena o suficiente para ser engolida e passada pelo esôfago, ela também seria pequena o suficiente para sair do estômago, através de uma abertura conhecida como piloro. Para impedir que saísse do estômago, o grupo teria que projetar a pílula para aumentar rapidamente o tamanho de uma bola de pingue-pongue.

"Atualmente, quando as pessoas tentam projetar esses géis altamente dilatáveis, eles geralmente usam a difusão, deixando a água se difundir gradualmente na rede de hidrogel", diz Liu. "Mas para aumentar o tamanho de uma bola de pingue-pongue leva horas, ou até dias. É mais longo que o tempo de esvaziamento do estômago."

Os pesquisadores, em vez disso, procuraram maneiras de projetar uma pílula de hidrogel que pudesse inflar muito mais rapidamente, a uma taxa comparável à de um baiacu assustado.

Um rastreador ingerível

O desenho em que eles acabaram por se assemelhar a uma pequena cápsula tipo Jell-O, feita de dois materiais de hidrogel. O material interno contém poliacrilato de sódio - partículas superabsorventes que são usadas em produtos comerciais, como fraldas, por sua capacidade de absorver rapidamente o líquido e inflar.

Os pesquisadores perceberam, no entanto, que se a pílula fosse feita apenas a partir dessas partículas, ela se quebraria imediatamente e sairia do estômago como grânulos individuais. Então, eles projetaram uma segunda camada protetora de hidrogel para encapsular as partículas de inchamento rápido. Essa membrana externa é feita de uma infinidade de cadeias cristalinas nanoscópicas, cada uma dobrada sobre outra, em um padrão de impasse praticamente impenetrável.

"Você teria que quebrar muitos domínios cristalinos para quebrar essa membrana", diz Lin. "Isso é o que torna este hidrogel extremamente robusto e, ao mesmo tempo, macio."

No laboratório, os pesquisadores mergulharam a pílula em várias soluções de água e fluido parecidas com sucos gástricos, e descobriram que a pílula inflava até 100 vezes seu tamanho original em cerca de 15 minutos - muito mais rápido do que os hidrogéis dilatáveis ​​existentes. Uma vez inflada, Zhao diz que a pílula é sobre a suavidade do tofu ou da gelatina, ainda que surpreendentemente forte.

Para testar a dureza da pílula, os pesquisadores a comprimiram mecanicamente milhares de vezes, em forças ainda maiores do que a que a pílula experimentava em contrações regulares no estômago.

"O estômago aplica milhares a milhões de ciclos de carga para esmagar os alimentos", explica Lin. "E descobrimos que, mesmo quando fazemos um pequeno corte na membrana, e então esticamos e apertamos milhares de vezes, o corte não cresce mais. Nosso design é muito robusto."

Os pesquisadores determinaram ainda que uma solução de íons de cálcio, em uma concentração maior do que a do leite, pode encolher as partículas inchadas. Isso faz com que a pílula se esvazie e passe para fora do estômago.

Finalmente, Steiger e Traverso incorporaram pequenos sensores comerciais de temperatura em várias pílulas e os alimentaram a porcos, que têm estômagos e tratos gastrointestinais muito semelhantes aos humanos. Mais tarde, a equipe recuperou os sensores de temperatura das fezes dos porcos e registrou as medidas de temperatura dos sensores ao longo do tempo. Eles descobriram que o sensor foi capaz de rastrear com precisão os padrões de atividade diária dos animais em até 30 dias.

No futuro, os pesquisadores prevêem que a pílula possa entregar com segurança vários sensores diferentes ao estômago para monitorar, por exemplo, os níveis de pH, ou sinais de certas bactérias ou vírus. Câmeras minúsculas também podem ser incorporadas nas pílulas para visualizar o progresso de tumores ou úlceras, ao longo de várias semanas. Zhao diz que a pílula também pode ser usada como uma alternativa mais segura e confortável à dieta do balão gástrico, uma forma de controle da dieta em que um balão é inserido através do esôfago do paciente e no estômago, usando um endoscópio.

"Com o nosso design, você não precisaria passar por um processo doloroso para implantar um balão rígido", diz Zhao. "Talvez você possa tomar algumas dessas pílulas, para ajudar a preencher o seu estômago e perder peso. Nós vemos muitas possibilidades para este dispositivo de hidrogel."

Esta pesquisa foi apoiada, em parte, pela National Science Foundation, National Institutes of Health e Bill and Melinda Gates Foundation.

Artigo:

Xinyue Liu, Christoph Steiger, Shaoting Lin, German Alberto Parada, Ji Liu, Hon Fai Chan, Hyunwoo Yuk, Nhi V. Phan, Joy Collins, Siddartha Tamang, Giovanni Traverso, Xuanhe Zhao. Ingestible hydrogel device. Nature Communications, 2019; 10 (1) DOI: 10.1038/s41467-019-08355-2

Fonte:

www.sciencedaily.com/releases/2019/01/190130075743.htm

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