传统的医学诊断模式仍然在全球范围内积极实践，它依赖于医生使用他们的五种基本感觉来推断患者的健康状况。例如，通过口腔、直肠或阴道等孔口触诊仍然是消化道和女性生殖道内的主要诊断机制。虽然成本低廉且简单，但这种主观方法容易出错和产生偏差。越来越多的趋势是用电子传感器取代医生自己的感觉，这不仅提高了检测范围和质量，还提供了一种基于收集大量临床采集数据集建立病理状况“基本事实”的方法。例如，触摸可以用触觉、压力和应变传感器代替；使用声学和超声波传感器进行听力；以及利用生物化学传感器的嗅觉和味觉，所有这些都提供客观测量。随着传统传感仪器从笨重的系留系统演变为便携式和小型化电子设备，可在远离诊所的地方持续佩戴，数字诊断已经从分散和需要限制移动以减轻传感器-组织接口的危害转变为连续和无限制，减少患者负担，同时通过实现更早更快的检测来改善健康结果。与人体建立微创、高保真和长期传感接口一直是皮肤接口电子学 (SIE) 的主要驱动力，这是最初为假肢控制系统开发的一类技术，此后在引入个性化的医疗保健方法。SIE 指的是由于其物理特性（包括柔韧性和可拉伸性）与皮肤无缝交互的电子产品。过去十年的重大硬件突破，包括软传感器、无线技术和无电池供电解决方案的开发，使 SIE 能够提供微创、实时、连续和不受限制的健康监测。尽管取得了这些进展，但皮肤无法获得无数相关的生理和病理生理信号，包括来自消化系统、呼吸系统、生殖系统和泌尿系统的信号。这些解剖区域被粘膜覆盖，粘膜通常被称为身体的“内层皮肤”，与皮肤有许多解剖和功能相似之处。以微创方式与粘膜相互作用的现有临床批准的传感器是胶囊或导管形式；刚性或弯曲性有限；电池供电或系留；不能被身体长期保存；并且与传统电子产品的技术相似性比与 SIE 的更多。这些设计特征不足以以组织界面和慢性方式实现对粘膜或粘膜下面的器官的全面监测。于此，麻省理工学院Giovanni Traverso等人在Nature Reviews Materials上探讨了有多少可以通过从 SIE 中吸取的经验教训来解决可能为真正的粘膜接口电子 (MIE) 的发展提供信息的设计考虑因素。图|与黏膜和皮肤接口电子设备相互作用的现有传感器的黏膜接口电子设备概述在 SIE 中使用了多种传感器技术来测量来自皮肤的多种类型的生理信号：电、生化、温度、血管动力学、机械、皮肤特性和环境。大多数这些信号类型都存在于粘膜上，具有更丰富的细节和诊断潜力。作者综述了这些来自粘膜的可访问信号类型，并讨论了用于访问这些信号的现有临床工具。然而，这些方法都没有为不受约束的患者提供微创和连续传感。需要这种类型的传感来使用获取的信号来获得健康跟踪和治疗干预的实时反馈，这也是 SIE 的趋势。由于黏膜内衬器官的独特解剖和生理特征，仍存在重大的硬件挑战，导致SIE和MIE之间存在巨大的技术差距。这些问题可以分为两大挑战。1）首先，黏膜环境通常比皮肤环境在物理和生化方面更为极端。具体来说，黏膜是高度曲线的，包括大的自发运动区域，例如蠕动、使得难以建立稳健的传感器-组织界面并实现长期保留。此外，黏膜表面是潮湿和动态的，具有高细胞更新率，并且经常暴露于大量外源性和内源性物质，对设备的封装和保留提出了挑战。2）其次，与接触皮肤相比，接触粘膜并非易事，这在设备输送和移除以及为设备供电和与其通信以提取记录数据方面提出了独特的挑战。于此，作者讨论了实现 MIE 的材料和器件工程挑战，并讨论潜在的解决方案。其中许多解决方案的灵感来自 SIE和其他类型的生物集成电子系统的进步，这些系统长期以来一直在努力应对类似的挑战，例如实现与柔软和动态身体表面的可靠接口以获得高信号保真度。然而，由于与粘膜的解剖学、生理学和生化环境相关的额外并发症，需要仔细设计考虑将电子器件与粘膜连接。1）首先需要建立与粘膜的传感器-组织界面。目前主要方法有：1）结构工程策略，该策略已用于获得柔性和可拉伸的电子设备，包括电池阵列和集成电路，用于与身体的长期保形接触。2）材料工程方法，该方法采用本质上柔软且可拉伸的材料，这些材料在大变形下仍能保持其电子特性，例如共轭聚合物、液态金属和弹性体复合材料，以及可以图案化成高强度的功能纳米材料2）其次是生化传感。与皮肤上的传感相比，粘膜环境中的生化传感带来了额外的挑战。例如，实时感测因通常较小的分析物浓度而变得复杂。为了放大信号，MIE 可以从使用长微流体通道的皮肤界面微流体系统中学习，以允许分析物和具有特定表面功能化的电极之间的充分体积接触，用于生物标志物检测。由于持续的细胞更新、粘液层的存在、腔内流体剪切效应和器官运动，以微创（无需手术）、安全（无穿孔和阻塞）和慢性（数周至数月）方式保留 MIE 是一个主要障碍。为了延长保留时间，存在几种利用接近黏膜不同水平的相互作用模式的方法。能够保持设备与粘膜直接接触的策略是访问无数信号的理想选择，尽管由于细胞更新，长期接口具有挑战性。一般来说，结合机制以穿透最外层粘液层并与具有较低周转率的上皮细胞建立接触的粘合策略可能具有实现高信号保真度和长期保留的最佳性能。从 MIE 生成的传感器数据需要实时无线下载，以最大限度地发挥其诊断潜力。RF传输是用于与身体接口电子设备通信的最常见技术之一，但需要尺寸至少为RF信号波长的四分之一的机载天线；对于亚千兆赫范围内的射频信号，天线的最佳尺寸很容易超过几厘米。当通过必须穿过才能进入粘膜的狭窄通道部署此类装置时，这种尺寸变得不切实际。为了规避这个问题，受卫星启发的可折叠天线可用于提高传输效率并促进体内部署。此外，正在探索利用小型化天线的近场感应耦合和超声波技术，用于与位于皮肤下方 5-20 厘米的电子设备进行通信。从内源和外源获取能量的电子设备可以解决无线电力传输的基本限制。已经开发了与灵活和可穿戴的能量收集器集成的 SIE，它们从光和触摸等外源源以及体热、人体运动和生物燃料等内源源收集能量。在黏膜覆盖的器官中，可以通过从自发器官运动中获取机械能或从生物燃料中获取化学能来实现自供电系统。可以完全由 GI 蠕动或呼吸运动驱动的小型电子设备已在啮齿动物身上得到证实。富含化学能的生物燃料，如葡萄糖、尿素和酸，大量存在于消化道和泌尿道中；它们可以通过使用原电池的氧化还原反应转化为电能，其中电极对浸入生物流体中。例如，酸性胃液已被用作使用锌和铜作为电极对的可摄入装置的能源。这种机制在猪身上产生了 0.5 V 的峰值电压和 23 µW cm -2的平均功率密度长达 1 周，这足以运行机载温度传感器、无线通信模块和药物释放膜。总体而言，尽管存在各种材料和工程挑战，但 MIE 仍有巨大的机会扩大当前患者（和运动员）监测、诊断和治疗的能力。MIE 可能提供使用现有 SIE 无法实现的治疗机会。MIE 可以轻松进入粘膜处或附近的神经和脉管系统，可以为闭环神经调节和治疗提供优于 SIE 的平台。一般来说，药物输送领域与 MIE 有许多共同的主要目标。例如，区域靶向可最大限度地减少活性药物成分的脱靶效应，而药物输送装置的长期保留可提高药物依从性。还有望与提供机械、光学和电刺激的技术产生协同作用。因此，MIE 有巨大的机会不仅可以提供持续的健康监测，还可以提供实时的治疗反应。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是麻省理工学院（MIT）机械工程系的助理教授，也是哈佛医学院布莱根妇女医院胃肠病科的胃肠病学家。Traverso博士的先前工作专注于开发用于早期发现结肠癌的新型分子检测方法。在博士后研究期间，他在麻省理工学院的Robert Langer教授的实验室中过渡到化学和生物医学工程领域，在那里他开发了一系列新颖的技术，用于通过胃肠道进行药物输送和生理传感。他目前的研究计划专注于开发下一代药物输送系统，以实现安全有效地输送治疗药物，并开发新颖的可摄入电子设备，以感应广泛的生理和病理生理参数。此外，Traverso博士继续致力于开发能够早期发现癌症的新型诊断测试。
