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肠保留装置的应用范围广泛，从长期口服药物输送到用于监测体内胃功能和诊断肠易激综合征、肠道危险和溃疡等胃肠道疾病的留置医疗装置。但持续的胃肠蠕动使设备面临一些挑战，如周期性压缩压力和剪切应力、快速粘液周转、酶促降解和极端的pH值等。

为了应对这些挑战，来自卡内基梅隆大学的Christopher J. Bettinger、Durva Naik团队受绒毛启发，作者使用高纵横比（约5:1）合成弹性体微柱和肠绒毛之间的机械联锁作为构建肠道保留装置（图1）。与低纵横比微结构器件相比，作者期望高纵横比微柱具有与绒毛相当的几何形状，从而诱导与绒毛的互锁并抵抗小肠中的蠕动剪切，从而提高其保留时间。

相关综述论文以“Villi Inspired Mechanical Interlocking for Intestinal Retentive Devices”为题于2023年7月14日发表在《Advanced Science》上。

图1 概念示意图：肠绒毛和模仿绒毛的合成弹性体微柱的机械联锁

1. 微柱绒毛联锁的建模和机械模拟

首先，作者通过有限元分析论证了机械联锁策略制备肠道滞留装置的可行性。作者对两个系统进行了建模：a) MP-V模型：蠕动剪切下单个微柱与绒毛之间的正面碰撞（图2a、b）和b) MAP-VP模型：蠕动剪切和收缩压力下MAP与绒毛贴片(VP)之间的相互作用（图2d）。MAP的设计特点如下：立方体排列的平头微柱（FlatCub）、六边形排列的平头微柱（Flat–Hex）、立方体排列的圆头微柱（Roun–Cub）和六边形排列的圆头微柱（Roun–Hex）（图2e、g、f）。

图2 仿真模型及MAP的设计特点

作者在图3中总结了模拟的结果。图3a显示了不同重叠范围下微柱杨氏模量对最大阻力的影响。结果表明，与具有较低刚度的顺应性微柱相比，较硬的微柱通过微柱绒毛碰撞以最小的变形产生更高的阻力。增加MAP刚度还会引起MAP-VP联锁中的欠阻尼谐振行为（图3b），而增加MAP的面密度后，DSimPer下降——这是基于微柱绒毛碰撞增加的预期结果（图3c）。总体而言，这些观察结果表明MAP设计特征可能会影响绒毛内MAP的机械联锁。此外，仅由于模拟的空肠收缩压，所有MAP在绒毛内实现了>90%的重叠范围。这些结果表明，尺寸和间距与天然绒毛相当的顺应性微柱阵列可以完全整合到绒毛内，从而消除对补充插入机制的需要。

图3 模拟结果

2. MAP与人工绒毛之间机械联锁的体外分析

接着，作者通过稳健、经济高效且适应性强的多步骤复制成型技术，采用数字光处理 (DLP) 3D打印模具微制造微柱阵列贴片，并进一步在定制设备上的人工绒毛和MAP之间进行体外搭接剪切实验，从而对计算机模型进行实验验证（图4a）。通过这些研究，作者深入了解了MAP的材料和设计参数对其在剪切作用下绒毛内互锁效率的影响。

图4 数字光处理 (DLP) 3D打印制作人造绒毛和MAP

使用制造的MAP绒毛贴片，使用定制的搭接剪切试验台测量联锁功(WI)和MAP-绒毛联锁的最大联锁力(FExp)（图5a）。当MAP微柱穿过绒毛时，通过力-距离测量观察到滑粘事情，从而支持预期的机械联锁机制（图5b）。

图5 体外搭接剪切试验

MAP（Roun-Hex，P64）的W1作为模量和微柱绒毛重叠的函数进行测量（图6a-b），表明微柱的刚度不仅影响微柱绒毛碰撞的阻力，而且还影响MAP在给定预载荷下穿透绒毛的能力。此外，作者还观察到，随着MAP间距的增大，联锁工作也有所增加，这是通过模拟得知的预期结果（图6e）。总体而言，机械联锁的计算机模拟结果与体外实验结果一致。精确的计算模拟证实了该工具可以设计和优化基于MAP的设备在蠕动条件下的体内保留。

图6 体外分析与模拟预测基于MAP的设备的体内机械联锁

3. MAP设计和材料分析以优化体内保留

作者使用计算机模型来预测体内装置保留的最佳MAP参数。通过机械联锁的计算机分析，了解到MAP刚度和设计参数（例如尖端几何形状、节距、微柱布局等）会影响MAP与绒毛机械联锁时的运动阻力（图7）。

虽然这项研究作为绒毛和合成微柱之间的机械联锁以对抗持续蠕动剪切的概念验证，但本研究尚未探讨肠时尚积和周期性蠕动收缩等因素的影响。随后作者进一步探讨了肠粘膜对装置粘膜粘附的影响，在装置固结之后，由于微柱穿过粘液层时所经历的摩擦阻力，粘液层可能有助于增强抗剪力。尽管粘液可能会在微柱和绒毛之间产生光滑的接触，但模拟也考虑了这一因素，证实了在此条件下机械联锁的可行性。

图7 MAP材料和设计参数可优化制造设备的体内停留时间

4. 结论

这项研究证实了使用高纵横比合成弹性体微柱和肠绒毛之间的机械联锁作为构建肠道保留装置的机制的可行性，进一步通过机械模拟和体外验证（通过使用微加工仿生微柱的搭接剪切测试进行体外验证）得到了证明。这些实验的结果为了解设计和材料参数对联锁的影响提供了宝贵的见解，并证明了计算模拟作为研究软联锁机制的工具的有用性。

同时，这项研究为开发使用计算机建模的定制联锁装置迈出了关键的一步。此外，这些微型主体的弹性性质可用于准备柔性，可扩展的结构，这些结构可以适应肠的折叠和轮廓以改善保留率。

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