Science子刊：南科望/于欣格合作開發胃駐留、智能響應機器人膠囊，破解應急口服給藥難題

編輯丨王多魚

排版丨水成文

口服給藥因無創、易操作、患者接受度高的特性，是臨床及日常健康管理中應用最廣泛的給藥方式，尤其在需長期用藥或不便開展專業醫療操作的場景中，更是保障治療連續性的關鍵。

在急性醫療場景中，傳統口服給藥依賴患者自主吞咽能力，而注射等侵入性方式需專業操作，兩者均難以滿足突發狀況下的時效性與安全性需求。野外人員、認知障礙者等群體，常因藥物獲取難、無法自主服藥等問題延誤救治；精神病患者給藥時還可能危及自身與他人安全。雖有無人機遞送、生物傳感器植入等應急給藥方案，但均不兼容口服制劑，且存在需手術植入、藥物儲存不安全等弊端。緊急口服給藥系統需滿足一鍵/自動激活、60秒內完全釋藥、體內儲藥等核心需求，現有技術難以兼顧。這些痛點凸顯了研發適配口服制劑的應急響應藥物系統的迫切性。

近日，浙江大學藥學院南科望研究員與香港城市大學于欣格教授團隊合作（浙江大學化工學院博士研究生黃浩、浙江大學藥學院博士后樊云龍為論文共同第一作者），在 Science 子刊Science Advances上發表了題為：A gastric retentive robotic capsule enables emergency-prepared and responsive oral drug delivery in canine models 的研究論文。

該研究通過采用生物相容性超彈性鎳鈦合金構建了胃駐留模塊、定制金納米膜觸發的藥物噴射系統，并集成多模式激活與安全降解機制，實現了口服膠囊在胃內長期駐留（在比格犬體內至少 10 周）、緊急情況下快速精準釋藥（60 秒內完全釋放）且安全可控移除。

該膠囊口服后，其生物相容性超彈性鎳鈦合金支架展開至超過幽門直徑，確保在胃內安全滯留至少 10 周（比格犬活體實驗驗證），期間預載藥物處于隨時待激活狀態。

針對不同醫療場景，系統提供三種觸發模式——模式 1、通過智能手機藍牙一鍵人工控制；模式 2/3、采用閉環癥狀監測系統自動給藥，其中模式 2 依賴外部穿戴式傳感器，模式 3 則內置傳感器以降低功耗與體積。

釋藥機制采用創新性化學推進系統——施加 3V 電壓溶解金納米隔膜后，鹽酸催化劑與檸檬酸/小蘇打推進劑混合反應產生二氧化碳氣體，驅動活塞排出藥物，四組獨立藥室（單室容量 30mg）可應對多月服務期內的多次緊急需求。膠囊整體集成在 00 號膠囊標準尺寸內，安全設計包括拋光處理的合金支架表面與硅膠緩沖涂層，顯著降低組織損傷風險。膠囊完成任務后，服用堿性溶液即可中和胃酸并弱化 pH 敏感粘合劑，使滯留結構可控分解并自然排出體外。

圖1. 胃駐留機器人膠囊

能量收集與觸發式釋藥模塊：機器人膠囊為實現月級體內運行，研發內置生物原電池，以胃酸為電解質、Zn/Mg 與 Cu 為電極，為微型鋰電池充電。Zn 電極適合長期供電，日均溶解 13.6 毫克，低于 40 毫克/天安全上限。其還借鑒火箭推進系統設觸發釋藥模塊，3V 電壓下金納米膜 60 秒內溶解，推進劑反應生成二氧化碳，40 秒內藥物近完全釋放。實驗證實，胃酸供能模塊可支撐 5 次釋藥-充電循環，藥庫密封良好，保障藥物穩定。

圖2. 胃酸供能模塊與觸發式藥物噴射模塊的設計與表征

可控降解胃駐留模塊：機器人膠囊為了長期安全停留在胃中，采用鎳鈦合金金屬打造，其具備極佳的彈性和耐胃酸腐蝕能力，可以進入胃部后自動展開成比幽門（胃的出口）更大的形狀，從而穩穩地停留在胃里，為后續功能提供基礎。即使胃部持續運動擠壓，它也展現出了極好的韌性和長期穩定性。為了可控降解，配套開發的雙組分 pH 響應粘合劑可在堿性環境下解體。服用小蘇打等堿性物質中和胃酸，可實現非侵入式安全清除。

圖3. 胃駐留機制的設計驗證（A）漏斗測試示意圖；（B-C）0.2mm和0.3mm厚鎳鈦合金支架在二、三、四臂構型下的折疊力（n=3）；（D）比格犬腹部X光片顯示膠囊在0/2/4/10周時的胃駐留狀態

動物實驗：針對不同緊急醫療場景，研究團隊開發出三種智能藥物遞送模式并在比格犬模型中驗證其有效性。模式一通過智能手機一鍵遠程觸發，適用于患者自主用藥場景，實驗顯示觸發后 30 分鐘內即可達到治療所需血藥濃度。模式二整合可穿戴設備實時監測心率血氧，當檢測到異常生命體征（如心率持續超200次/分鐘）時自動釋放藥物。模式三將傳感器直接集成于膠囊內部，通過內置加速度計識別疾病發作等異常體動特征，癥狀出現5分鐘內即自主啟動給藥。三種模式分別采用人工決策、外設聯動與自主判斷的觸發策略，為多元化急救需求提供了精準解決方案。

圖4.機器人膠囊多模式給藥的體內驗證，（A）模式二實驗設計示意圖；（B）模式二電子系統示意圖；（C）心率血氧監測可穿戴傳感器照片（比例尺：1cm）；（D）阿托品與美托洛爾給藥過程中心率及血氧變化曲線（n=1）；(E)美托洛爾血漿濃度曲線（n=1）

總的來說，該研究開發出一款可長期駐留胃部的智能藥物膠囊，具備自發電、遠程觸發給藥和可控降解功能。該膠囊采用生物相容性鎳鈦合金支架，口服后自動展開，可在胃內安全滯留 10 周以上。提供三種給藥模式：智能手機一鍵觸發、穿戴設備聯動和內置傳感器自主判斷。創新化學推進系統確保 30 秒內完成藥物釋放，四組獨立藥室可應對多次緊急需求。該膠囊按標準 00 號口服膠囊設計，確保服用安全，服務完成后可通過堿性溶液安全排出。這項技術為緊急醫療提供了創新解決方案。

南科望，浙江大學藥學院第一類“百人計劃”研究員、博導，藥物制劑研究所所長助理，浙江大學附屬第二醫院兼聘教授。于伊利諾伊大學香檳校區獲機械工程博士學位后，2019-2022 年先后在哈佛大學、麻省理工學院、哈佛醫學院附屬布萊根婦女醫院開展博士后研究。博士和博士后導師分別為美國四院院士John Rogers教授和Robert Langer教授。主要研究方向為柔性生物電子和智能遞藥器件等。以一作/通訊身份在 Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Nature Communications（3篇）、Science Advances（2篇）、Nature Reviews 系列（2篇）等雜志發表論文30余篇，授權中、美發明專利8項，獲基金委海外優青、青年項目C類、科技部國家重點研發計劃青年科學家項目等項目資助。

于欣格，香港城市大學生物醫學工程系教授，香港青年科學院院士，香港城市大學數字醫學院副院長，香港心腦血管健康工程研究中心副主任。2023 年獲評香港RGC Research Fellow鐘南山青年科技創新獎、優秀青年科學基金(港澳)、《麻省理工科技評論》創新35人、IEEE納米醫學發明家、MINE青年科學家、日內瓦國際發明展金獎等獎項獲得者。研究方向為新型柔性電子在生物醫療領域以及智能觸覺VR中的應用。擔任 Science Advances 期刊副主編及多部期刊編委。在 Nature、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Nature Machine Intelligence、Nature Communications、Nature Electronics、Science Advances 等期刊發表論文200余篇，申請/授權美國專利50余項。

論文鏈接：

https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ady6745