Gli ingegneri del MIT hanno progettato un ingestibile, Pillola gelatinosa che, quando raggiunge lo stomaco, si gonfia rapidamente alle dimensioni di un morbido, soffice pallina da ping-pong abbastanza grande da rimanere nello stomaco per un lungo periodo di tempo.

La pillola gonfiabile è dotata di un sensore che monitora continuamente la temperatura dello stomaco fino a 30 giorni. Se la pillola deve essere rimossa dallo stomaco, un paziente può bere una soluzione di calcio che induce la pillola a ridursi rapidamente alle sue dimensioni originali e ad uscire in sicurezza dal corpo.

La nuova pillola è composta da due tipi di idrogel:miscele di polimeri e acqua che ricordano la consistenza di Jell-O. La combinazione consente alla pillola di gonfiarsi rapidamente nello stomaco rimanendo impermeabile all'ambiente acido ribollente dello stomaco.

Il design a base di idrogel è più morbido, più biocompatibile, e più duraturi degli attuali sensori ingeribili, che possono rimanere nello stomaco solo per pochi giorni, o sono fatti di plastica dura o metalli che sono ordini di grandezza più rigidi del tratto gastrointestinale.

"Il sogno è avere una pillola intelligente simile alla gelatina, che una volta ingerito rimane nello stomaco e monitora la salute del paziente per lungo tempo come un mese, "dice Xuanhe Zhao, professore associato di ingegneria meccanica al MIT.

Zhao e il collaboratore senior Giovanni Traverso, uno scienziato in visita che entrerà a far parte della facoltà del MIT nel 2019, insieme agli autori principali Xinyue Liu, Christoph Steiger, e Shaoting Lin, hanno pubblicato i loro risultati in Comunicazioni sulla natura .

pillole, ping pong, e pesce palla

Il design della nuova pillola gonfiabile si ispira ai meccanismi di difesa del pesce palla, o pesce palla. Normalmente una specie a movimento lento, il pesce palla si gonfierà rapidamente se minacciato, come un palloncino appuntito. Lo fa aspirando una grande quantità di acqua, veloce.

Il puffer è duro, il corpo che si gonfiava rapidamente era esattamente ciò che Zhao stava cercando di replicare in forma di idrogel. Il team stava cercando modi per progettare una pillola a base di idrogel per trasportare i sensori nello stomaco e rimanere lì per monitorare, Per esempio, segni vitali o stati patologici per un periodo di tempo relativamente lungo.

Si resero conto che se una pillola era abbastanza piccola da essere inghiottita e tramandata nell'esofago, sarebbe anche abbastanza piccolo da passare fuori dallo stomaco, attraverso un'apertura detta piloro. Per impedirgli di uscire dallo stomaco, il gruppo dovrebbe progettare la pillola per gonfiarsi rapidamente fino alle dimensioni di una pallina da ping-pong.

"Attualmente, quando le persone cercano di progettare questi gel altamente rigonfiabili, usano solitamente la diffusione, lasciando che l'acqua si diffonda gradualmente nella rete di idrogel, "Dice Liu. "Ma per gonfiarsi alle dimensioni di una pallina da ping-pong ci vogliono ore, o addirittura giorni. È più lungo del tempo di svuotamento dello stomaco".

I ricercatori hanno invece cercato modi per progettare una pillola di idrogel che potesse gonfiarsi molto più rapidamente, a una velocità paragonabile a quella di un pesce palla spaventato.

Un tracker ingeribile

Il design su cui alla fine sono atterrati assomiglia a un piccolo, Capsula gelatinosa, composto da due materiali idrogel. Il materiale interno contiene poliacrilato di sodio, particelle superassorbenti che vengono utilizzate in prodotti commerciali come i pannolini per la loro capacità di assorbire rapidamente liquidi e gonfiarsi.

I ricercatori hanno capito, però, che se la pillola fosse fatta solo di queste particelle, si spezzerebbe immediatamente e uscirebbe dallo stomaco come singole perline. Così hanno progettato un secondo, strato protettivo di idrogel per incapsulare le particelle a rapido rigonfiamento. Questa membrana esterna è costituita da una moltitudine di nanoscopici, catene cristalline, ciascuno piegato sull'altro, in un quasi impenetrabile, modello di ingorgo.

"Dovresti attraversare molti domini cristallini per rompere questa membrana, " dice Lin. "Questo è ciò che rende questo idrogel estremamente robusto, e allo stesso tempo, morbido."

Nel laboratorio, i ricercatori hanno inzuppato la pillola in varie soluzioni di acqua e liquidi simili a succhi gastrici, e ho scoperto che la pillola si è gonfiata a 100 volte la sua dimensione originale in circa 15 minuti, molto più velocemente degli idrogel rigonfiabili esistenti. Una volta gonfiato, Zhao dice che la pillola riguarda la morbidezza del tofu o Jell-O, eppure sorprendentemente forte.

Per testare la forza della pillola, i ricercatori l'hanno spremuto meccanicamente migliaia di volte, a forze anche maggiori di quelle che la pillola sperimenterebbe da regolari contrazioni nello stomaco.

"Lo stomaco applica migliaia a milioni di cicli di carico per macinare il cibo, " spiega Lin. "E abbiamo scoperto che anche quando facciamo un piccolo taglio nella membrana, e poi allungalo e strizzalo migliaia di volte, il taglio non diventa più grande. Il nostro design è molto robusto."

I ricercatori hanno inoltre determinato che una soluzione di ioni calcio, ad una concentrazione superiore a quella del latte, può restringere le particelle gonfie. Questo fa sì che la pillola si sgonfi ed esca dallo stomaco.

Finalmente, Steiger e Traverso incastonati piccoli, sensori di temperatura commerciali in diverse pillole, e diede le pillole ai maiali, che hanno stomaci e tratti gastrointestinali molto simili a quelli umani. Il team ha poi recuperato i sensori di temperatura dalle feci dei maiali e ha tracciato le misurazioni della temperatura dei sensori nel tempo. Hanno scoperto che il sensore era in grado di tracciare con precisione i modelli di attività quotidiana degli animali fino a 30 giorni.

Lungo la strada, i ricercatori prevedono che la pillola possa fornire in sicurezza una serie di sensori diversi allo stomaco da monitorare, ad esempio, livelli di pH, o segni di determinati batteri o virus. Piccole telecamere possono anche essere incorporate nelle pillole per visualizzare lo stato di avanzamento di tumori o ulcere, nel corso di diverse settimane. Zhao dice che la pillola potrebbe anche essere usata come un più sicuro, alternativa più comoda alla dieta del palloncino gastrico, una forma di controllo della dieta in cui un palloncino viene infilato nell'esofago di un paziente e nello stomaco, utilizzando un endoscopio.

"Con il nostro design, non avresti bisogno di passare attraverso un processo doloroso per impiantare un palloncino rigido, " dice Zhao. "Forse puoi prendere alcune di queste pillole invece, per aiutare a riempire lo stomaco, e perdere peso. Vediamo molte possibilità per questo dispositivo idrogel".