Science子刊：南科望/于欣格合作开发胃驻留、智能响应机器人胶囊，破解应急口服给药难题

编辑丨王多鱼

排版丨水成文

口服给药因无创、易操作、患者接受度高的特性，是临床及日常健康管理中应用最广泛的给药方式，尤其在需长期用药或不便开展专业医疗操作的场景中，更是保障治疗连续性的关键。

在急性医疗场景中，传统口服给药依赖患者自主吞咽能力，而注射等侵入性方式需专业操作，两者均难以满足突发状况下的时效性与安全性需求。野外人员、认知障碍者等群体，常因药物获取难、无法自主服药等问题延误救治；精神病患者给药时还可能危及自身与他人安全。虽有无人机递送、生物传感器植入等应急给药方案，但均不兼容口服制剂，且存在需手术植入、药物储存不安全等弊端。紧急口服给药系统需满足一键/自动激活、60秒内完全释药、体内储药等核心需求，现有技术难以兼顾。这些痛点凸显了研发适配口服制剂的应急响应药物系统的迫切性。

近日，浙江大学药学院南科望研究员与香港城市大学于欣格教授团队合作（浙江大学化工学院博士研究生黄浩、浙江大学药学院博士后樊云龙为论文共同第一作者），在 Science 子刊Science Advances上发表了题为：A gastric retentive robotic capsule enables emergency-prepared and responsive oral drug delivery in canine models 的研究论文。

该研究通过采用生物相容性超弹性镍钛合金构建了胃驻留模块、定制金纳米膜触发的药物喷射系统，并集成多模式激活与安全降解机制，实现了口服胶囊在胃内长期驻留（在比格犬体内至少 10 周）、紧急情况下快速精准释药（60 秒内完全释放）且安全可控移除。

该胶囊口服后，其生物相容性超弹性镍钛合金支架展开至超过幽门直径，确保在胃内安全滞留至少 10 周（比格犬活体实验验证），期间预载药物处于随时待激活状态。

针对不同医疗场景，系统提供三种触发模式——模式 1、通过智能手机蓝牙一键人工控制；模式 2/3、采用闭环症状监测系统自动给药，其中模式 2 依赖外部穿戴式传感器，模式 3 则内置传感器以降低功耗与体积。

释药机制采用创新性化学推进系统——施加 3V 电压溶解金纳米隔膜后，盐酸催化剂与柠檬酸/小苏打推进剂混合反应产生二氧化碳气体，驱动活塞排出药物，四组独立药室（单室容量 30mg）可应对多月服务期内的多次紧急需求。胶囊整体集成在 00 号胶囊标准尺寸内，安全设计包括抛光处理的合金支架表面与硅胶缓冲涂层，显著降低组织损伤风险。胶囊完成任务后，服用碱性溶液即可中和胃酸并弱化 pH 敏感粘合剂，使滞留结构可控分解并自然排出体外。

图1. 胃驻留机器人胶囊

能量收集与触发式释药模块：机器人胶囊为实现月级体内运行，研发内置生物原电池，以胃酸为电解质、Zn/Mg 与 Cu 为电极，为微型锂电池充电。Zn 电极适合长期供电，日均溶解 13.6 毫克，低于 40 毫克/天安全上限。其还借鉴火箭推进系统设触发释药模块，3V 电压下金纳米膜 60 秒内溶解，推进剂反应生成二氧化碳，40 秒内药物近完全释放。实验证实，胃酸供能模块可支撑 5 次释药-充电循环，药库密封良好，保障药物稳定。

图2. 胃酸供能模块与触发式药物喷射模块的设计与表征

可控降解胃驻留模块：机器人胶囊为了长期安全停留在胃中，采用镍钛合金金属打造，其具备极佳的弹性和耐胃酸腐蚀能力，可以进入胃部后自动展开成比幽门（胃的出口）更大的形状，从而稳稳地停留在胃里，为后续功能提供基础。即使胃部持续运动挤压，它也展现出了极好的韧性和长期稳定性。为了可控降解，配套开发的双组分 pH 响应粘合剂可在碱性环境下解体。服用小苏打等碱性物质中和胃酸，可实现非侵入式安全清除。

图3. 胃驻留机制的设计验证（A）漏斗测试示意图；（B-C）0.2mm和0.3mm厚镍钛合金支架在二、三、四臂构型下的折叠力（n=3）；（D）比格犬腹部X光片显示胶囊在0/2/4/10周时的胃驻留状态

动物实验：针对不同紧急医疗场景，研究团队开发出三种智能药物递送模式并在比格犬模型中验证其有效性。模式一通过智能手机一键远程触发，适用于患者自主用药场景，实验显示触发后 30 分钟内即可达到治疗所需血药浓度。模式二整合可穿戴设备实时监测心率血氧，当检测到异常生命体征（如心率持续超200次/分钟）时自动释放药物。模式三将传感器直接集成于胶囊内部，通过内置加速度计识别疾病发作等异常体动特征，症状出现5分钟内即自主启动给药。三种模式分别采用人工决策、外设联动与自主判断的触发策略，为多元化急救需求提供了精准解决方案。

图4.机器人胶囊多模式给药的体内验证，（A）模式二实验设计示意图；（B）模式二电子系统示意图；（C）心率血氧监测可穿戴传感器照片（比例尺：1cm）；（D）阿托品与美托洛尔给药过程中心率及血氧变化曲线（n=1）；(E)美托洛尔血浆浓度曲线（n=1）

总的来说，该研究开发出一款可长期驻留胃部的智能药物胶囊，具备自发电、远程触发给药和可控降解功能。该胶囊采用生物相容性镍钛合金支架，口服后自动展开，可在胃内安全滞留 10 周以上。提供三种给药模式：智能手机一键触发、穿戴设备联动和内置传感器自主判断。创新化学推进系统确保 30 秒内完成药物释放，四组独立药室可应对多次紧急需求。该胶囊按标准 00 号口服胶囊设计，确保服用安全，服务完成后可通过碱性溶液安全排出。这项技术为紧急医疗提供了创新解决方案。

南科望，浙江大学药学院第一类“百人计划”研究员、博导，药物制剂研究所所长助理，浙江大学附属第二医院兼聘教授。于伊利诺伊大学香槟校区获机械工程博士学位后，2019-2022 年先后在哈佛大学、麻省理工学院、哈佛医学院附属布莱根妇女医院开展博士后研究。博士和博士后导师分别为美国四院院士John Rogers教授和Robert Langer教授。主要研究方向为柔性生物电子和智能递药器件等。以一作/通讯身份在 Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Nature Communications（3篇）、Science Advances（2篇）、Nature Reviews 系列（2篇）等杂志发表论文30余篇，授权中、美发明专利8项，获基金委海外优青、青年项目C类、科技部国家重点研发计划青年科学家项目等项目资助。

于欣格，香港城市大学生物医学工程系教授，香港青年科学院院士，香港城市大学数字医学院副院长，香港心脑血管健康工程研究中心副主任。2023 年获评香港RGC Research Fellow钟南山青年科技创新奖、优秀青年科学基金(港澳)、《麻省理工科技评论》创新35人、IEEE纳米医学发明家、MINE青年科学家、日内瓦国际发明展金奖等奖项获得者。研究方向为新型柔性电子在生物医疗领域以及智能触觉VR中的应用。担任 Science Advances 期刊副主编及多部期刊编委。在 Nature、Nature Materials、Nature Biomedical Engineering、Nature Machine Intelligence、Nature Communications、Nature Electronics、Science Advances 等期刊发表论文200余篇，申请/授权美国专利50余项。

论文链接：

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