可工作在40~200 MHz频率范围内的高效节能磁性人体通信方案

已有研究表明，胃肠道系统肠道区域中的一些代谢物在肠道功能中起着至关重要的作用。例如，炎症性肠病（IBD）、糖尿病或肥胖等慢性疾病，都是由涉及肠道代谢产物吸收或消化的肠道过程功能障碍引起的。微型可食用传感模块的发展为肠道微生物群的获取提供了巨大的希望。然而，尽管可食用传感器件，特别是那些针对肠道环境的器件的相关研究已取得了很大的进展，但目前还没有可以实时捕获该区域代谢物动力学特征的措施。此外，大多数与可食用传感器件相关的过往工作都使用了电池。而电池含有有毒元素，直接将其暴露在肠道环境中可能会导致严重的并发症。

近期，美国加州大学圣地亚哥分校（University of California San Diego）的研究人员提出了一种自供电、无电池、无线、节能的生物传感胶囊，用于监测小肠中的葡萄糖动力学。该系统集成了多个功能，以解决实现胶囊型可食用原位化学传感器件的关键挑战。该胶囊包含一个葡萄糖生物燃料电池（BFC），用于在运行过程中获取能量，同时利用提取的能量测量葡萄糖浓度的变化。此外，该研究采用了一种工作在40~200 MHz频率范围内的高效节能磁性人体通信（mHBC）方案，以接收时间分辨的传输信号。相关研究成果以“A self-powered ingestible wireless biosensing system for real-time in situ monitoring of gastrointestinal tract metabolites”为题，发表于Nature Communications期刊。

图1 可食用自供电生物燃料电池（BFC）胶囊传感器的设计及传感机理

该研究首先对传感系统的电路进行了设计。来自微型葡萄糖BFC的电压和功率太低，无法为商用无线信号传输器供电。较大的传统BFC供电系统通过使用直流-直流（DC-DC）升压变换器来产生更高的供电电压，从而克服了低电压问题。然而，这种方法需要庞大的功率调节电路，并引入额外的损耗，最终超过所需的功率预算。因此，在该项研究中，研究人员放弃了DC-DC转换器的使用，而是开发了一个可以直接利用BFC运行的定制微芯片。从头开始设计的集成电路利用电压-频率转换方案和mHBC信号传输器，平均只消耗不到1微瓦（~0.4微瓦）的功率。此外，所开发的芯片安装在规格为16.4 mm × 7.5 mm的电路板上，且只需要连接循环延迟分集（CDD）和板载mHBC天线。

图2 定制化集成电路的电学表征

接着，研究人员通过广泛的体外表征对BFC的性能进行了优化和校准，以建立与小肠中葡萄糖浓度的相关性。在体外模拟过程中，BFC传感器显示出对葡萄糖的高特异性，而含有干扰化合物的溶液显示出可忽略不计的交叉反应性（图3）。此外，作为概念证明，研究人员利用猪模型进行了肠道内葡萄糖动力学监测。在猪身上进行的原位实验表明，口服溶液中葡萄糖浓度的差异导致了连续收集的数据的差异，这意味着该传感系统对小肠中的葡萄糖成功实现了监测（图4）。

图3 葡萄糖生物燃料电池（BFC）在接近胃肠道真实生理条件下的体外表征和模拟

图4 猪模型中原位胶囊的性能

综上所述，该研究展示了一种自供电、无电池、可食用的生物传感胶囊，可用于活体受试者的原位实时肠道内葡萄糖监测。为了激活胶囊内的电子电路，集成的生物燃料电池（BFC）为磁性人体通信（mHBC）无线电路能源系统收集足够的能量。这项工作解决了胶囊型可食用器件的多个现有挑战，包括避免电池的使用、实现电子器件小型化、通过致密生物组织进行信号传输，以及保护生物传感器免受恶劣的原位环境的影响。此外，这种技术还可以在慢性胰腺炎和倾倒综合征等吸收不良疾病的诊断中发挥关键作用，例如，通过分析复杂的碳水化合物膳食是否充分分解为葡萄糖，以及分析食物迁移到小肠中所需的胃排空时间。

未来的工作将集中在胶囊传感平台局限性的解决和功能的扩展上。例如，在没有麻醉的情况下在猪身上使用生物传感器；在固体食物摄入过程中，固体颗粒可能会部分堵塞传感器表面，因此需要改良的多孔膜来防止传感器波动；此外，需要进一步集成氧气浓度、温度和pH值跟踪监测等功能，以进一步校准胶囊，实现可靠的葡萄糖监测。最后，为了使胶囊更容易通过胃肠道，可通过制造更小的传感器和电子元件将该器件缩小到商用可食用器件的尺寸。

审核编辑：郭婷