傳統的醫學診斷模式仍然在全球范圍內積極實踐，它依賴于醫生使用他們的五種基本感覺來推斷患者的健康狀況。例如，通過口腔、直腸或陰道等孔口觸診仍然是消化道和女性生殖道內的主要診斷機制。雖然成本低廉且簡單，但這種主觀方法容易出錯和產生偏差。越來越多的趨勢是用電子傳感器取代醫生自己的感覺，這不僅提高了檢測范圍和質量，還提供了一種基于收集大量臨床采集數據集建立病理狀況“基本事實”的方法。例如，觸摸可以用觸覺、壓力和應變傳感器代替；使用聲學和超聲波傳感器進行聽力；以及利用生物化學傳感器的嗅覺和味覺，所有這些都提供客觀測量。隨著傳統傳感儀器從笨重的系留系統演變為便攜式和小型化電子設備，可在遠離診所的地方持續佩戴，數字診斷已經從分散和需要限制移動以減輕傳感器-組織接口的危害轉變為連續和無限制，減少患者負擔，同時通過實現更早更快的檢測來改善健康結果。與人體建立微創、高保真和長期傳感接口一直是皮膚接口電子學 (SIE) 的主要驅動力，這是最初為假肢控制系統開發的一類技術，此后在引入個性化的醫療保健方法。SIE 指的是由于其物理特性（包括柔韌性和可拉伸性）與皮膚無縫交互的電子產品。過去十年的重大硬件突破，包括軟傳感器、無線技術和無電池供電解決方案的開發，使 SIE 能夠提供微創、實時、連續和不受限制的健康監測。盡管取得了這些進展，但皮膚無法獲得無數相關的生理和病理生理信號，包括來自消化系統、呼吸系統、生殖系統和泌尿系統的信號。這些解剖區域被粘膜覆蓋，粘膜通常被稱為身體的“內層皮膚”，與皮膚有許多解剖和功能相似之處。以微創方式與粘膜相互作用的現有臨床批準的傳感器是膠囊或導管形式；剛性或彎曲性有限；電池供電或系留；不能被身體長期保存；并且與傳統電子產品的技術相似性比與 SIE 的更多。這些設計特征不足以以組織界面和慢性方式實現對粘膜或粘膜下面的器官的全面監測。于此，麻省理工學院Giovanni Traverso等人在Nature Reviews Materials上探討了有多少可以通過從 SIE 中吸取的經驗教訓來解決可能為真正的粘膜接口電子 (MIE) 的發展提供信息的設計考慮因素。圖|與黏膜和皮膚接口電子設備相互作用的現有傳感器的黏膜接口電子設備概述在 SIE 中使用了多種傳感器技術來測量來自皮膚的多種類型的生理信號：電、生化、溫度、血管動力學、機械、皮膚特性和環境。大多數這些信號類型都存在于粘膜上，具有更豐富的細節和診斷潛力。作者綜述了這些來自粘膜的可訪問信號類型，并討論了用于訪問這些信號的現有臨床工具。然而，這些方法都沒有為不受約束的患者提供微創和連續傳感。需要這種類型的傳感來使用獲取的信號來獲得健康跟蹤和治療干預的實時反饋，這也是 SIE 的趨勢。由于黏膜內襯器官的獨特解剖和生理特征，仍存在重大的硬件挑戰，導致SIE和MIE之間存在巨大的技術差距。這些問題可以分為兩大挑戰。1）首先，黏膜環境通常比皮膚環境在物理和生化方面更為極端。具體來說，黏膜是高度曲線的，包括大的自發運動區域，例如蠕動、使得難以建立穩健的傳感器-組織界面并實現長期保留。此外，黏膜表面是潮濕和動態的，具有高細胞更新率，并且經常暴露于大量外源性和內源性物質，對設備的封裝和保留提出了挑戰。2）其次，與接觸皮膚相比，接觸粘膜并非易事，這在設備輸送和移除以及為設備供電和與其通信以提取記錄數據方面提出了獨特的挑戰。于此，作者討論了實現 MIE 的材料和器件工程挑戰，并討論潛在的解決方案。其中許多解決方案的靈感來自 SIE和其他類型的生物集成電子系統的進步，這些系統長期以來一直在努力應對類似的挑戰，例如實現與柔軟和動態身體表面的可靠接口以獲得高信號保真度。然而，由于與粘膜的解剖學、生理學和生化環境相關的額外并發癥，需要仔細設計考慮將電子器件與粘膜連接。1）首先需要建立與粘膜的傳感器-組織界面。目前主要方法有：1）結構工程策略，該策略已用于獲得柔性和可拉伸的電子設備，包括電池陣列和集成電路，用于與身體的長期保形接觸。2）材料工程方法，該方法采用本質上柔軟且可拉伸的材料，這些材料在大變形下仍能保持其電子特性，例如共軛聚合物、液態金屬和彈性體復合材料，以及可以圖案化成高強度的功能納米材料2）其次是生化傳感。與皮膚上的傳感相比，粘膜環境中的生化傳感帶來了額外的挑戰。例如，實時感測因通常較小的分析物濃度而變得復雜。為了放大信號，MIE 可以從使用長微流體通道的皮膚界面微流體系統中學習，以允許分析物和具有特定表面功能化的電極之間的充分體積接觸，用于生物標志物檢測。由于持續的細胞更新、粘液層的存在、腔內流體剪切效應和器官運動，以微創（無需手術）、安全（無穿孔和阻塞）和慢性（數周至數月）方式保留 MIE 是一個主要障礙。為了延長保留時間，存在幾種利用接近黏膜不同水平的相互作用模式的方法。能夠保持設備與粘膜直接接觸的策略是訪問無數信號的理想選擇，盡管由于細胞更新，長期接口具有挑戰性。一般來說，結合機制以穿透最外層粘液層并與具有較低周轉率的上皮細胞建立接觸的粘合策略可能具有實現高信號保真度和長期保留的最佳性能。從 MIE 生成的傳感器數據需要實時無線下載，以最大限度地發揮其診斷潛力。RF傳輸是用于與身體接口電子設備通信的最常見技術之一，但需要尺寸至少為RF信號波長的四分之一的機載天線；對于亞千兆赫范圍內的射頻信號，天線的最佳尺寸很容易超過幾厘米。當通過必須穿過才能進入粘膜的狹窄通道部署此類裝置時，這種尺寸變得不切實際。為了規避這個問題，受衛星啟發的可折疊天線可用于提高傳輸效率并促進體內部署。此外，正在探索利用小型化天線的近場感應耦合和超聲波技術，用于與位于皮膚下方 5-20 厘米的電子設備進行通信。從內源和外源獲取能量的電子設備可以解決無線電力傳輸的基本限制。已經開發了與靈活和可穿戴的能量收集器集成的 SIE，它們從光和觸摸等外源源以及體熱、人體運動和生物燃料等內源源收集能量。在黏膜覆蓋的器官中，可以通過從自發器官運動中獲取機械能或從生物燃料中獲取化學能來實現自供電系統。可以完全由 GI 蠕動或呼吸運動驅動的小型電子設備已在嚙齒動物身上得到證實。富含化學能的生物燃料，如葡萄糖、尿素和酸，大量存在于消化道和泌尿道中；它們可以通過使用原電池的氧化還原反應轉化為電能，其中電極對浸入生物流體中。例如，酸性胃液已被用作使用鋅和銅作為電極對的可攝入裝置的能源。這種機制在豬身上產生了 0.5 V 的峰值電壓和 23 μW cm -2的平均功率密度長達 1 周，這足以運行機載溫度傳感器、無線通信模塊和藥物釋放膜。總體而言，盡管存在各種材料和工程挑戰，但 MIE 仍有巨大的機會擴大當前患者（和運動員）監測、診斷和治療的能力。MIE 可能提供使用現有 SIE 無法實現的治療機會。MIE 可以輕松進入粘膜處或附近的神經和脈管系統，可以為閉環神經調節和治療提供優于 SIE 的平臺。一般來說，藥物輸送領域與 MIE 有許多共同的主要目標。例如，區域靶向可最大限度地減少活性藥物成分的脫靶效應，而藥物輸送裝置的長期保留可提高藥物依從性。還有望與提供機械、光學和電刺激的技術產生協同作用。因此，MIE 有巨大的機會不僅可以提供持續的健康監測，還可以提供實時的治療反應。Nan, K., Feig, V.R., Ying, B. et al. Mucosa-interfacing electronics. Nat Rev Mater (2022).https://doi.org/10.1038/s41578-022-00477-2Giovanni Traverso是麻省理工學院（MIT）機械工程系的助理教授，也是哈佛醫學院布萊根婦女醫院胃腸病科的胃腸病學家。Traverso博士的先前工作專注于開發用于早期發現結腸癌的新型分子檢測方法。在博士后研究期間，他在麻省理工學院的Robert Langer教授的實驗室中過渡到化學和生物醫學工程領域，在那里他開發了一系列新穎的技術，用于通過胃腸道進行藥物輸送和生理傳感。他目前的研究計劃專注于開發下一代藥物輸送系統，以實現安全有效地輸送治療藥物，并開發新穎的可攝入電子設備，以感應廣泛的生理和病理生理參數。此外，Traverso博士繼續致力于開發能夠早期發現癌癥的新型診斷測試。
