美科学家开发出无电池、药丸状可吞服的生物传感胶囊“智能药丸”

美国加州大学圣地亚哥分校工程学院研究人员开发了一种无电池、药丸状可吞服生物传感系统，旨在对肠道环境进行持续监测。发表在《自然·通讯》杂志上的该技术有望开启人们对肠道代谢物组成的新认识，这对人类的整体健康有重大影响。

研究人员开发出了一种自供电，无电池，无线，节能的生物传感胶囊，用于监测小肠中的葡萄糖动力学。该系统集成了多种功能，以解决实现胶囊型可原位化学传感设备的关键挑战。

胶囊包含一个葡萄糖生物燃料电池（BFC），用于在操作过程中获取功率，同时测量从提取的功率本身变化的葡萄糖浓度。我们采用在40-200 MHz范围内运行的节能磁性人体通信（mHBC）方案来接收时间分辨传输的信号。mHBC的结合已被证明可以有效地降低可穿戴应用中的电磁能量损失，达到微瓦级4142 ，这是从位于胃肠道内的小型BFC动力胶囊进行操作所需的水平。

这项初步研究使用猪模型，因为它与人类胃肠道的解剖学和生理学相似43.该装置口服给药，在到达小肠之前安全地通过高酸性胃介质，在那里发生连续的葡萄糖感应（图1a）。

如图1b所示的物理设计表明了胶囊的结构。3D打印外壳用于紧凑地封装生物传感组件，包括BFC电极，集成电路和mHBC天线。pH响应肠溶包衣适用于暂时保护BFC免受酸性胃环境的影响，随后BFC溶解在pH中性肠道培养基中，而有机硅/聚氨酯（PU）涂层确保了电子设备的绝缘。

图1c显示了BFC的组成和反应机理。阳极和阴极均在碳纳米管（CNT）涂层的镍泡沫上构建。阳极使用葡萄糖氧化酶 （GOx） 在四硫富瓦烯-7，8-四氰基喹二甲烷 （TTF-TCNQ） 介质的辅助下进行葡萄糖氧化反应，而阴极使用胆红素氧化酶 （BOD） 和 2，2′-联氮基双（3-乙基苯并噻唑啉-6-磺酸 （ABTS） 进行氧还原反应2−）作为调解人。

BFC在给定负载下的电压与校准时的葡萄糖浓度相关，然后转换为频率信号并使用定制集成电路传输（图1d）。

无电池自供电操作和低能耗设计节省了宝贵的体积，实现了显著的系统小型化（l = 2.6 cm，⍉ = 0.9 cm），同时完全集成了传感、数字化、无线通信和能量收集功能，同时确保其高效运行（图 1e、f）。

图1g举例说明了原位操作期间自供电可摄取生物传感器的典型输出，在向动物提供含葡萄糖溶液时记录，表明葡萄糖水平升高时频率信号的正偏移。

电子电路设计

电化学设计

性能