CN115103636A - 胃肠取样胶囊 - Google Patents

Abstract

公开了非创伤性胃肠道(GI)取样的被动装置。在一些实施方案中，装置包含含有吸收取样水凝胶的胶囊壳体。胶囊可以由患者摄取，随后通过胃肠道。一旦胶囊到达胃肠道所需位置，胃肠道流体可以通过胶囊的取样孔流入胶囊。流体可以由取样水凝胶吸收并且储存在取样水凝胶内用于随后的分析，并且流体的吸收可以引起取样水凝胶在胶囊内膨胀。胶囊还可以包含位于取样水凝胶和取样孔之间的密封构件，并且取样水凝胶膨胀可以将密封构件压向取样孔，以密封胶囊。

Description

胃肠取样胶囊

领域

公开的实施方案涉及非创伤性胃肠道取样胶囊。

背景

许多研究发现，肠道微生物群在主导人类健康的病理生理学中起着重要作用。许多研究已经确定了肠道微生物群对人体代谢、营养摄取、口服施用疗法的疗效以及免疫和神经系统功能的影响。例如，许多研究已发现微生物群失衡(菌群失调)与多种疾病(包括糖尿病、肥胖和代谢综合征)之间存在相关性；这些疾病影响了美国约3000万人。类似地，最近关于肠道细菌可能影响神经系统发育和维持的可能途径的观点表明，肠道微生物群组成与精神神经病学障碍(包括焦虑、抑郁、自闭症的菌群失调)调控之间的联系。

概述

在一个实施方案中，胃肠道被动取样装置包括包围囊腔的胶囊壳体，在胶囊壳体中形成并且提供囊腔和胶囊壳体外部之间的流体连通的取样孔，以及位于囊腔内的取样水凝胶。当暴露于样品流体时，将取样水凝胶构造为吸收样品流体，在囊腔内膨胀，并且储存样品流体，用于随后的分析。该装置还包含位于取样水凝胶和取样孔之间的囊腔内的密封构件。取样水凝胶在囊腔内膨胀，将密封构件按压至与取样孔紧密接合，以密封囊腔。

在另一个实施方案中，用于患者胃肠道被动取样的方法包括被患者施用可摄取装置。可摄取装置包含包围囊腔的胶囊壳体、在胶囊壳体中形成并且提供囊腔和胶囊壳体外部之间的流体连通的取样孔，位于囊腔内的取样水凝胶，以及位于取样水凝胶和取样孔之间的囊腔内的密封构件。该方法还包括将取样水凝胶暴露于患者胃肠道内的样品流体，将样品流体吸收至取样水凝胶中，通过吸收样品流体使囊腔内的取样水凝胶膨胀，并且通过取样水凝胶膨胀将密封构件按压至与取样孔紧密接合来密封囊腔。该方法还包括在装置通过患者的胃肠道后取回装置，以及在取回装置后从取样水凝胶取回样品流体。

在另一个实施方案中，胃肠道被动取样装置包括包围囊腔的胶囊壳体和在胶囊壳体中形成并且提供囊腔和胶囊壳体外部之间的流体连通的取样孔。溶液浇铸的(casted)肠溶包衣覆盖取样孔，并且肠溶包衣降解暴露取样孔，以允许流入囊腔。

在另一个实施方案中，制备胃肠道被动取样装置的方法包括提供具有囊腔和取样孔的胶囊壳体，取样孔提供囊腔和胶囊壳体外部的流体连通。该方法还包括利用溶液浇铸技术在取样孔上方形成肠溶包衣，以覆盖取样孔。

应当理解，前述概念和下文讨论的其它概念可以以任何适合的组合来安排，因为本公开内容在这方面不受限制。此外，当结合附图考虑时，从下述多种非限制性实施方案的详细描述中，本公开内容的其它优点和新颖特征将变得显而易见。

附图简述

附图并非按比例绘制。在附图中，各图中所示的每种相同或几乎相同的部件可以用相似的数字表示。为了清楚起见，并非每个部件都可以在每个图中标记。在附图中：

图1是根据一些实施方案，显示胶囊通过胃肠道的示意图；

图1A是图1的放大图，显示在胃肠道中第一个位置处的胶囊；

图1B是图1的另一个放大图，显示在胃肠道中第二个位置处的胶囊；

图2A是根据一些实施方案的胶囊的分解图；

图2B是根据一些实施方案的胶囊的分解图；

图3是根据一个实施方案的胶囊组件的照片；

图4是组装成胶囊的图3的组件的照片；

图5显示根据一个实施例的水凝胶溶胀试验的照片；

图6是显示根据一个实施例用不同AA/AM比例制备的水凝胶随时间的溶胀率的图；

图7显示根据一个实施例的水凝胶膨胀力试验的照片；

图8是显示根据一个实施例的水凝胶溶胀期间产生的力分布的图；

图9显示根据一个实施例的接触角试验的照片；

图10是显示根据一个实施例，用于不同表面处理的接触角随时间变化的图；

图11是根据一个实施例的泄漏测试的示意图；

图12是显示图11泄漏测试中电导随时间变化的图；

图13是根据另一个实施例的泄漏测试的试验设置的示意图；

图14是图13的泄漏测试的UV光谱测量结果的图；

图15A是根据一个实施例，水凝胶在暴露于去离子水后的SEM图像；

图15B是显示图15A的SEM图像的放大视图的SEM图像；

图15C是根据一个实施例，暴露于TSB/PBS溶液后水凝胶的SEM图像；

图15B是显示图15D的SEM图像放大视图的SEM图像；

图16显示根据一个实施例的TSB/琼脂平板的照片，暴露于不同溶液的水凝胶和密封胶囊的CFU计数；

图17是显示图16的水凝胶的CFU/mL计数的条形图；

图18A是不同肠溶包衣聚合物在pH 1.2缓冲溶液中的染料释放图；

图18B是肠溶包衣聚合物在pH 3.0缓冲溶液中的染料释放图；

图18C是肠溶包衣聚合物在pH 6.8缓冲溶液中的染料释放图；

图19A是干燥水凝胶和溶胀4小时的水凝胶的照片；

图19B是显示水凝胶在pH 6.8和7.4缓冲溶液中随时间的溶胀率的图；

图19C是显示水凝胶随时间的延长图；

图19D是显示水凝胶接触PDMS膜时的压力分布图；

图20A是显示两个填充绿色荧光蛋白(GFP)和去离子水(DI)的微离心机和相应的水凝胶暴露于溶液2小时的照片；

图20B是显示暴露于去离子水的对照样品放大视图的图像；

图20C是显示暴露于GFP的样品放大视图的图像；

图20D是显示GFP随时间的提取分布图；

图21A是1:10稀释的测试环境浓度的UV-Vis吸收图，吸光度峰值在562nm处；

图21B是显示牛血清白蛋白(BSA)标准曲线的图；

图21C是显示与测试环境浓度相比，2小时后提取的BSA浓度的图；

图21D是显示钙卫蛋白标准曲线的图；

图21E是显示与测试环境浓度相比，2小时后提取的钙卫蛋白浓度的图；

图22A是四个烧瓶的照片，其中含有多种pH缓冲溶液，用不同颜色的染料模拟沿胃肠道的pH变化，从左到右：唾液pH 7，胃pH 3，小肠pH 6.8，和结肠pH 7.4(去离子水)。

图22B是在胃中(pH 3缓冲溶液)2小时后取出并且打开的胶囊的照片；

图22C是在小肠(pH 6.8缓冲溶液)2小时后取出并且打开的胶囊的照片；

图22D是胶囊保留前后，pH 3介质的紫外-可见吸收图；

图22E是胶囊保留前后，pH 6.8介质的紫外-可见吸收图；

图22F是胶囊保留前后，去离子水介质的紫外-可见吸收图；

图23A是显示体外提取的BSA浓度的条形图；

图23B是显示体外提取的钙卫蛋白浓度的条形图；

图24A是填充载有钙卫蛋白肠液的一段小肠的照片，里面有两个取样胶囊；

图24B是显示从肠道取出胶囊的照片；

图24C显示含取样肠液的分解胶囊放入Tris缓冲液中提取2小时的照片；和

图24D是显示两种测试环境浓度的提取浓度的条形图：一种是低浓度的钙卫蛋白，另一种是高浓度的钙卫蛋白。

详述

人微生物群取样正成为了解微生物群与药物相互作用机制以及这种复杂相互作用对药物疗效和生物利用度的影响程度的重要方面。关于人肠道微生物群的结构和功能的大部分已知信息是通过粪便样品中的异位培养和/或细菌测序确定的。然而，只有小部分肠道细菌可以从粪便样品中获得和培养，因此已经努力开发能够直接从胃肠道(GI)取样微生物的工具。例如，目前使用结肠镜检查和/或胃镜检查方法，但是这些方法仅限于在整个胃肠道的某些部分取样，并且是创伤性方法，引起患者不适，并且导致依从性下降。其它方法使用了能够在胃肠道不同目标位置收集样品的智能功能性胶囊，并且这些方法可以解决传统结肠镜检查和胃镜检查的一些局限性。此外，基于胶囊的装置可以改善患者的舒适度，而无需在临床环境中施用。例如，PillCam^TM胶囊内镜(CE)技术用于收集胃肠道难以到达的区域的图像，以诊断与小肠有关的疾病，例如不明原因的胃肠道出血、肿瘤、克罗恩病、血管发育不良、乳糜泻和息肉病。然而，该技术缺乏收集和储存样品的能力，因为它通过胃肠道。

用不同的方法开发新胶囊来取样肠道微生物群的努力可分为两大类：主动和被动装置。在主动装置中，通常通过使用装置载电池来实现驱动和取样机制，该电池提供所需的能量来驱动多种柱塞、活塞、活检钳等，所述柱塞、活塞、活检钳等收集样品并且将样品储存在胶囊内。然而，在此类装置中，电池经常占据胶囊体积的很大部分，这可能会限制样品储存的空间，并且主动装置通常表现出很高的失败风险和腐蚀性电解质泄漏的可能性，这会导致严重的腐蚀性损伤和液化性坏死。为了避免这些和其它与主动装置相关的缺点，已经开发了多种被动驱动取样机制，从而使胶囊更紧凑、经济可行，与安全相关的问题更少。在此类设计中，胶囊通过蠕动运动通过胃肠道，平均速度为1-2cm/分钟，并且通过简单的被动驱动(例如毛细血管芯吸作用或压力差)收集样品。然而，发明人已经认识并理解，存在许多重要的设计考虑，现有的被动装置还不能解决这些考虑。例如，一些现有的方法依赖于胶囊组件，需要在胶囊内有一个密封良好的真空室，这显著增加了装置的复杂性。其它方法依赖于通过从胃肠道向上游延伸的细绳取回取样装置，这可能会引起患者的不适。而且，大多数现有的被动取样装置缺乏在目标位置完成取样后，对采集样品进行密封和保护的能力，因此，此类装置不能提供胃肠道特定部位的局部取样。

鉴于上述，发明人已经认识并理解与被动取样胃肠道装置相关的许多优点，这些优点提供简单结构，并且一旦从胃肠道的所需部分采集样品，就允许密封胶囊。例如，在一些实施方案中，被动取样装置可以包括胶囊，患者可以摄取胶囊，使得胶囊通过胃肠道。胶囊可以包含限定囊腔的胶囊壳体和位于囊腔内的吸附取样水凝胶。胶囊壳体可以包含取样孔，其允许来自胃肠道的流体(例如含有微生物或蛋白质诸如钙卫蛋白的流体)流入囊腔内，在囊腔内被取样水凝胶吸收。在吸收流体时，取样水凝胶可以在囊腔内膨胀并且将位于孔和水凝胶材料之间的囊腔中的密封构件(例如密封膜膜)按压至与孔紧密接合，以密封孔，从而限制随后的流体流入或流出胶囊。以这种方式，本文公开的装置可以利用取样水凝胶作为介质，以将微生物样品储存在胶囊内，并且还可以作为一旦完成取样就提供被动机械驱动以密封胶囊的装置。此外，本发明人已经理解，密封胶囊后，胶囊内的水化的取样水凝胶可以为取样的细菌提供含营养物的理想生存环境，使其在回收胶囊之前存活。此外，根据一些方面，胶囊的密封可以有助于保护胶囊内收集的样品免受位于胃肠道内的恶劣环境的影响，从而保护储存在取样水凝胶样品中的细菌样品，用于随后的分析。

在一些实施方案中，胶囊可以包含在至少一部分胶囊壳体上的生物可降解的包衣。例如，生物可降解的包衣可以是肠溶包衣，将其构造为沿胃肠道的长度在所需目标位置处溶解。在一个实施方案中，将生物可降解的包衣装备在一部分胶囊壳体上，其中形成孔。因此，生物可降解的包衣可以密封孔，直到胶囊到达目标位置，并且随后降解，以使肠道流体通过孔进入胶囊囊腔。应当理解，根据本公开的胶囊可以包含任何适合的生物可降解的肠溶包衣，如本领域技术人员理解的。例如，适合的包衣材料包括但不限于pH-敏感的聚合物材料，例如聚甲基丙烯酸-共-丙烯酸乙酯(EDURAGIT L 100-55)、聚甲基丙烯酸-共-甲基丙烯酸甲酯(EUDRAGIT L100)、羟丙基甲基纤维素酞酸酯(HP-55)、羟丙甲纤维素酞酸酯(HPMCP)、醋酸纤维素酞酸酯(CAP)和聚醋酸乙烯酞酸酯(PVAP)。

在一些实施方案中，肠溶包衣是利用溶液浇铸技术形成的。在此类技术中，将聚合物溶解在溶液中，并且将溶液涂在帽上的取样孔上。在一些实施方案中，将取样胶囊的帽放置在硅酮(例如PDMS)支架上，该支架堵塞帽的孔，同时肠溶包衣沉积在帽上，以防止肠溶包衣通过孔。溶液可以具有高粘度并且可以快速干燥。包衣干燥后，可以将帽从支架上取下。溶液可以很容易地与硅酮支架分离，从而使包衣保留在帽上并且覆盖帽的孔。在一些实施方案中，包衣可以通过液滴浇铸形成，涉及释放具有受控尺寸和动量的大液滴，这些液滴在撞击时扩散和润湿表面。在一些实施方案中，可以使用刮刀来产生具有均匀厚度的膜。刮刀，也称为刀包衣或刀片包衣，涉及在表面上操作刀片(或在刀片下方移动表面)。刀片和基板之间的小间隙决定刀片通过时可以通过多少溶液，从而将溶液均匀地分布在基板上。在液滴浇铸和刮刀工艺中，肠溶包衣覆盖胶囊帽上的取样孔，从而在整个胃肠道提供靶向溶解，以实现目标激活和取样。

如上所述，胶囊可以包含密封构件，在取样水凝胶吸收肠道流体样品并且在胶囊囊腔内膨胀之后，取样水凝胶可以将密封构件按压至与胶囊的取样孔紧密接合。根据一些方面，可以构造密封构件，以在胶囊的囊腔和外部环境之间提供所需的气体渗透性。例如，在一些实施方案中，可以将密封构件形成为聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜，其可以提供气体渗透性，以允许胃肠道和胶囊内部(即囊腔)之间的天然气体交换，这可以有助于维持取样细菌的自然代谢，并且在胶囊密封后，促进它们的存活。用于密封构件的其它适合材料包括但不限于聚氯乙烯(PVC)、热塑性聚氨酯(TPU)、环烯烃共聚物(COC)和全氟聚醚(PFPE)。

取决于特别的实施方案，通过密封构件密封胶囊后，本文所述的胶囊可能能够在延长的时间期限内保持活细菌的存活，以用于随后分析。例如，在一些实施方案中，在取样流体取回进行分析前至少1小时、至少5小时、至少10小时、至少20小时或至少达到24小时或更长时间，可以将取样水凝胶和/或密封构件构造和布置为保持样品流体中的活细菌存活(即保持活菌存活)。

在一些实施方案中，装置可以用于收集蛋白质或其它生物标志物，以研究身体状况。例如，在一些实施方案中，装置可以用于收集胃肠道中的钙卫蛋白，以诊断炎性肠病(IBD)。钙卫蛋白是胃肠道发生炎症时，中性粒细胞释放的蛋白质。

通过胃肠道后，患者可以将密封胶囊排出，随后回收，以分析其中所含的肠道微生物群样品。根据一些方面，可以将胶囊构造并且布置成一旦回收就保证容易拆卸，从而使包含样品的取样水凝胶容易回收。例如，在一些实施方案中，胶囊壳体可以由两个或更多个壳体部分形成，所述两个或更多个壳体部分可以移动地彼此固定，以允许进入胶囊的囊腔。在一个示例性实施方案中，胶囊壳体可以由两个胶囊部分形成，两个胶囊部分通过螺旋接口彼此连接，这可以使胶囊在通过排泄取出后易于拆卸，以便可以除去胶囊内的取样水凝胶，用于将来培养和分析其中包含的细菌样品。其它适合的接口包括但不限于卡扣配合接口和摩擦或干涉(interference)配合接口。

根据一些方面，在组装胶囊壳体的多种组件之前，可以对这些组件进行处理以在胶囊壳体上提供亲水包衣。发明人已经认识并且理解，此类处理可以有助于样品流体通过取样孔流动并且进入囊腔内部，在囊腔中，取样流体可以被其中所含的水凝胶材料吸收。特别的是，胶囊壳体表面的亲水包衣可以帮助提供流体从肠道到胶囊上狭窄取样孔的连续拉动。例如，在一些实施方案中，亲水性表面修饰可以通过利用聚乙二醇(PEG)处理后的空气等离子体处理而激活壳体组件的表面来完成，如下文更详细地描述。

本文公开的水凝胶材料可以由亲水性聚合物网络组成，该亲水性聚合物网络能够吸收大量的水，同时保持其结构。这些聚合物网络通常通过共价键、氢键、范德华相互作用和/或物理缠结交联。本文公开的装置利用吸收能力，以及水凝胶的机械性能，以提供非创伤性取样装置，该装置可以被动地从胃肠道的目标位置提取和固定样品。

在一些实施方案中，胶囊内的取样水凝胶可以由丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)单体的组合合成。应当理解的是，本公开不限于这些单体的任何特定比例，以形成水凝胶材料。例如，这些单体的适合比例可以包括但不限于10％AA/90％AM、30％AA/70％AM、50％AA/50％AM、70％AA/30％AM或90％AA/10％AM。如下文更详细讨论的，水凝胶材料可以通过将这些单体与去离子(DI)水，以及作为交联剂的亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和作为引发剂的过硫酸铵(AP)混合而形成。虽然本文描述了某些水凝胶材料，但是应当理解其它水凝胶材料可能是适合的，例如基于其它丙烯酸聚合物(例如丙烯酸、丙烯酰胺、聚(N-异丙基丙烯酰胺的组合)和/或聚(N,N-二乙基丙烯酰胺))和/或非丙烯酸聚合物的水凝胶。在一些实施方案中，水凝胶可以由丙烯酰胺和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)的组合合成。

应当理解，根据本公开的胶囊壳体可以由任何适合的生物相容性材料制备。例如，在一些实施方案中，胶囊壳体可以由生物相容性聚合材料例如甲基丙烯酸酯聚合物形成。其它适合的材料包括但不限于商购可获得的生物相容性聚合物，例如Dental LT Clear、MED625FLX和MED610和/或用PEG处理的其它聚合材料，以提供生物相容性。此外，应当理解，本公开不限于形成胶囊壳体的任何特定方法。例如，下文更详细描述的一些实施方案利用通过3D打印工艺形成的胶囊壳体。其它适合的制备方法可以包括但不限于浇铸方法、模塑方法(例如注塑成型)或本领域普通技术人员可以理解的其它方法。

取决于特别的实施方案，胶囊可以具有任何适合的尺寸。例如，圆柱形胶囊可以具有约9mm至约23mm的长度和约4.5mm至约10mm的直径。例如，在一个实施方案中，胶囊可以具有约9mm的直径和约15mm的长度，其小于标准的000号明胶胶囊(其具有9.97×26.14mm的尺寸)。此外，胶囊壳体中形成的取样孔可以具有基于包含在胶囊内的密封构件的尺寸而选择的直径。例如，在一些实施方案中，取样孔的直径可以选择为小于密封构件的直径至少1mm，这可能有助于确保胶囊与密封构件的适合密封。在一个示例性实施方案中，取样孔可以具有约5mm的直径。

转到附图，进一步详细描述特别的非限制性实施方案。应当理解的是，相对于这些实施方案描述的多种系统、组件、特征和方法可以单独使用和/或以任何所需的组合使用，因为本公开不仅限于本文中所述的特别的实施方案。

图1是胃肠道100内取样胶囊102的示意图。如图1A所示，胶囊102包括生物可降解的包衣106(例如肠溶包衣)，其密封胶囊的取样孔108。以这种方式，生物可降解的包衣保护胶囊囊腔104内的组件，包括取样水凝胶110和密封构件112，并且延迟取样，直到胶囊到达胃肠道内的目标位置。在所述实施方案中，生物可降解的包衣仅覆盖胶囊102的部分，以便覆盖取样孔108。然而，应当理解的是，其它布置可以是适合的，例如其中生物可降解的包衣最初围绕或多或少的胶囊102或胶囊102的整个外部的布置。如图1B所示，一旦胶囊102到达目标位置，包衣106降解，并且使含有细菌114的GI流体进入胶囊，在胶囊中流体被取样水凝胶110吸收。在吸收流体时，取样水凝胶在囊腔104内溶胀和膨胀，并且基本上填充囊腔的整个容积。此外，取样水凝胶的膨胀将密封构件112按压至与取样孔紧密接合，从而通过溶胀的水凝胶施加的机械力密封取样孔。如图所示，取样水凝胶吸收的流体可以包含胃肠道内的细菌114。在胶囊排泄后，可以拆卸胶囊，以取出取样水凝胶和其中包含的细菌样品，以便细菌可以进行将来的培养和分析。

例如，当患者吞下具有生物可降解的聚合物肠溶包衣的取样装置时，该装置可以暴露于pH 7的唾液中少于1分钟。当装置向胃移动时，pH下降至约3。当聚合物在胃的酸性pH环境中保持非离子化时，装置可能保持失活。随着装置进一步沿胃肠道向下移动，当到达小肠时，pH增加，平均pH为6.8，并且最大pH为7.5。当pH超过肠溶包衣的溶解阈值时，聚合物开始电离，引发聚合物溶解。一旦溶解，肠流体可以进入囊腔104，并且水凝胶可以通过吸收肠流体而开始溶胀，同时将囊腔内的密封构件推向取样孔。然后，当胶囊接近回盲瓣时，pH降低，并且当胶囊继续通过结肠时，pH值略有升高。在用密封构件密封装置孔时，装置可以在结肠内移动而不进行流体交换。

装置通过小肠可能需要约4至6小时。取决于装置的预期应用，可以将肠包衣溶解和/或水凝胶延长调节到小肠中期望的目标位置。例如，在一些实施方案中，可以将肠包衣构造为在装置进入小肠后1小时内完全溶解，然后，可以将水凝胶构造为在1小时内延长，并且最后可以将装置构造为在0.4小时内由密封构件密封。这些时间目标时间间隔可以使装置到达结肠前的安全边际超过1.6小时。排泄后，可以将胶囊取出、拆卸，并且可分析样品用于进一步研究。

图2A-B是用于胃肠道被动取样的胶囊200、200’的两个实施方案的分解示意图。胶囊200、200’包含胶囊壳体202、202’，其包含第一壳体部分204、204’(在本文中也称为帽)和第二壳体部分206、206’。第一壳体部分包括取样孔208、208’，以提供胶囊的外部和胶囊壳体202、202’内形成的囊腔210、210’之间的流体连通。将生物可降解的包衣212、212’(例如如上所述的肠溶包衣)围绕胶囊壳体的至少部分，以密封取样孔208、208’，直至胶囊200、200’到达胃肠道内所需的位置。使取样水凝胶214、214’和密封构件216、216’位于囊腔210、210’中，并且如图所示，密封构件216、216’位于取样水凝胶214、214’和取样孔208、208’之间。如上所述，在一些实施方案中，密封构件可以是柔性膜，例如PDMS膜，并且在密封构件密封囊腔后，可以提供囊腔210、210’和胶囊200、200’外部之间的气体渗透。此外，第一和第二壳体部分204、204’和206、206’包含连接接口218、218’，以允许在收集样品后，容易地拆卸胶囊壳体，以取出水凝胶材料。在所述实施方案中，连接接口218、218’包含在第一和第二壳体部分上形成的相应的螺纹特征，其联合形成螺旋接口。然而，如上所述，在其它实施方案中，其它连接布置例如卡扣配合或干涉配合可能是适合的。

生物可降解的包衣可以具有不同的形状。例如，生物可降解的包衣可以是圆形的，例如图2A、2B分别所示的圆形包衣212、212’。在其它实施方案中，生物可降解的包衣可以是正方形、矩形、椭圆形或任何其它适合的形状。在一些实施方案中，生物可降解的包衣可以具有弯曲的外表面，例如具有弯曲外表面213的生物可降解的包衣212，如图2A所示。在一些实施方案中，生物可降解的包衣可以具有平坦的外表面，例如图2B中所示的具有平坦外表面213’的生物可降解的包衣212’。在一些实施方案中，生物可降解的包衣可以具有平坦的外表面和平坦的内表面，例如图2B中所示的平坦盘状，其具有平坦的外表面213’和平坦的内表面215’。生物可降解的包衣可以是密封胶囊200、200’的取样孔208、208’的任何形状。在一些实施方案中，生物可降解的包衣可以仅延伸跨越部分胶囊壳体202、202’的部分。在一些实施方案中，生物可降解的包衣可以围绕胶囊壳体的整个外部。

实施例

研究I

装置设计与装配

在一个实施例中，利用3D打印制备用于胃肠道被动取样的装置。该装置由四个组件组成：生物可降解的肠溶包衣、包含第一壳体部分和帽的3D-打印壳体、取样水凝胶和气体可渗透的PDMS膜。3D-打印的壳体是用SolidWorks(Dassault Systèmes)设计的，并且通过PreForm软件包(FormLabs)，利用Form 2 3D打印机打印，并且通过立体光刻使用生物相容性甲基丙烯酸酯光固化聚合物打印。胶囊的最终外径和长度分别为9mm和15mm。内径和内部长度分别为7mm和14mm。将每个胶囊进行设计，以包含取样水凝胶以及放置在水凝胶和帽中形成的取样孔之间的1mm厚PDMS膜。特别的是，图3显示组装之前的多个组件的照片。胶囊帽上的取样孔(直径5mm)设计为易于流体流入胶囊。

在本实施例中，高吸收性水凝胶是用去离子(DI)水、作为单体的丙烯酸(AA)和丙烯酰胺(AM)、作为交联剂的亚甲基双丙烯酰胺(MBA)和作为引发剂的过硫酸铵(AP)的混合物合成的。将交联的水凝胶切成圆柱形样品，并且完全干燥，然后放入胶囊中。利用标准的1:10比例的固化剂与硅酮基质(Dow Corning)制备PDMS膜，并且在80℃固化3小时，随后用Class 4CO₂ Laser(Universal laser System)激光切割直径6.5mm的圆形膜。

装置组装前，在3D-打印的壳体表面进行亲水性表面修饰，以确保并且方便取样流体流经胶囊的孔并且进入胶囊囊腔。表面修饰利用空气等离子体处理，随后用聚乙二醇(PEG)处理来完成。利用Tegal Corp Plasma Etcher，在480mTorr保持2分钟，完成等离子体处理，随后在PEG溶液中浸泡18小时。从溶液中取出壳体，用去离子水彻底冲洗，并且风干24小时。在壳体和水凝胶完全干燥后，通过将干燥的水凝胶放在3D-打印壳体的下半部分来组装装置。将PDMS膜放置在水凝胶和装置帽之间。图4显示最终组装的胶囊的照片，其直径为9mm，并且长度为15mm，其小于标准的000号明胶胶囊(9.97mm×26.14mm)。

水凝胶的合成与表征

在一个实施例中，将AA和AM的4个比例用于测定哪个比例导致最快吸收和最大压力：10％AA/90％AM、30％AA/70％AM、50％AA/50％AM、70％AA/30％AM和90％AA/10％AM。单体混合物的总浓度为溶液总重量的35wt％。去离子水占总重量的60wt％，而MBA和AP分别占总重量的1wt％和4wt％。在20mL闪烁瓶中，将不同的AA/AM混合物与去离子水混合。利用VWRDigital Vortex System，将溶液涡旋3分钟，使MBA完全溶解。一旦MBA完全溶解，将溶液鼓入氮气30分钟，以除去能抑制聚合的氧分子，然后加入引发剂。将溶液在室温聚合3小时。完全聚合后，切割直径5mm和长度12mm的圆柱体并且在80℃等温箱中干燥过夜。一旦水凝胶完全干燥，就认为可以将其进行测试。

接下来，测定具有不同AA/AM比例的水凝胶的溶胀能力。对于每种AA/AM比例，将干燥样品称重并且浸入1:10磷酸盐缓冲溶液(PBS)和去离子水的溶液中5小时，所述PBS购自Sigma Aldrich。从溶液中取出样品，并且每小时称重，以确定吸收的水的量。图5-6显示不同单体比例(10％AA/90％AM、30％AA/70％AM、50％AA/50％AM、70％AA/30％AM和90％AA/10％AM)的水凝胶的溶胀响应。特别的是，图5显示完全干燥(左)和完全溶胀(右)水凝胶的照片。将响应用重量比表示，重量比是将浸没后的重量与干样品的初始重量之差(Gt-G0)除以初始重量(G0)计算的。图6显示的总体趋势表明，当AA与AM的比例更高时，水凝胶的溶胀能力降低。特别的是，图6显示10％AA/90％AM(602)、30％AA/70％AM(604)、50％AA/50％AM(606)、70％AA/30％AM(608)和90％AA/10％AM(610)的比例的图。结果发现，10％AA/90％AM比例的样品具有最快和最大的溶胀潜力，在5小时内达到初始干重的2.2倍。这种趋势的唯一例外是90％AA/10％AM比例的样品。这些样品最初显示出快速吸收，类似于10％AA/90％AM比例的样品。然而，尽管它们的初始响应很快，溶胀率在第一个小时内就达到了平台。

为了确定水凝胶是否能够施加足够的力以克服胃肠道压力并且有效地密封胶囊，利用Admet Tensile Tester，测量每种水凝胶在溶胀时的压力。将干燥的水凝胶置于10mL闪烁瓶中，并且垂直固定在张力计的台上。将用于胶囊的PDMS膜的探针连接到10N测压元件上，并且放置在距离每种脱水水凝胶块表面1mm处。然后，用1:10的PBS/去离子水溶液填充小瓶，并且历经一段时间，测量每个样品产生的压力，并且记录为溶胀和压在探针上的水凝胶。

据报道，人结肠腔内的正常基线压力为12mmHg至20mmHg，便秘患者饭后，其也可高达26mmHg(3466.38N/m²)。利用力-压力关系，小肠腔内压力对胶囊内PDMS膜施加的极端反作用力估值等于0.46N。因此，为了在取样/激活后完美密封，取样胶囊上的PDMS膜阀必须承受大于0.46N的反作用力。

图7显示干水凝胶和溶胀水凝胶对抗力探针的两张照片，并且图8显示用不同比例的AA/AM制备的水凝胶样品水化过程中记录的力图，作为时间的函数。特别的是，图8显示10％AA/90％AM(802)、30％AA/70％AM(804)、50％AA/50％AM(806)、70％AA/30％AM(808)和90％AA/10％AM(810)比例的图。这些结果表明，较低AA/AM比例的样品施加于PDMS膜上的力增加相对较快。除了用90％AA/10％AM单体比例制成的水凝胶，在5小时的水化和溶胀期间，所有其它水凝胶都能够提供所需的力，克服胃肠道腔内估计的反压(>0.46N)。10％AA/90％AM制备的样品显示最快增加，在水化和溶胀1小时内达到所需的力。可以将观察到的不同AA/AM比例产生的力的延迟直接与其相应的溶胀性质相关。如图7所示，将干燥水凝胶放置在距离力探针1mm处，因为这是水凝胶为了密封胶囊必须溶胀的总长度。当水凝胶更容易到达探针时，更快的吸收率转化为产生的力的更快检测。鉴于这些结果，单体比例10％AA/90％AM的交联水凝胶具有最适合的驱动和取样能力，因为它提供最高的吸收和力产生特性，因此用于取样胶囊的最终组装和进一步的表征。

表面润湿性

在一个实施例中，为了确保从肠道连续地将流体拉入胶囊上的狭窄取样孔，将胶囊的聚合物表面用持久的亲水包衣修饰，如上所述。为了评价表面修饰，利用Ramé-HartModel 290F1 Advanced Goniometer，测量未处理样品、等离子体处理样品和等离子体+PEG处理样品的表面接触角。在环境温度下，于不同的表面修饰前后，通过在3D打印的表面放置一个约10μL的水滴来测量初始和后退接触角。

图9-10显示在只有等离子体处理和等离子体处理、随后PEG包衣的不同表面修饰操作之前和之后，接触角的测量结果及其在3D-打印的胶囊套管上随时间的稳定性。特别的是，图9显示这些不同表面上水滴的照片，并且图10显示接触角随时间的图。未处理的3D-打印表面显示相关性高的水接触角，角度为80°，如图1002所示。如图1004所示，等离子体处理样品的结果显示，等离子体激活后水接触角从80°减小到33°，这意味着产生亲水表面。然而，尽管亲水性最初增加，但是结果表明表面修饰是不稳定的，并且5天后，接触角从33°增加到60°。另一方面，等离子体处理后PEG包衣显示超亲水表面特征，在整个7天期间接触角几乎为0°，如图1006所示。随着时间的推移，接触角的显著降低和高度稳定性表明，等离子体+PEG表面修饰处理的稳健性可有助于确保肠道流体容易通过取样孔。

泄漏测试

在一个实施例中，用两个独立的泄漏试验测试胶囊的密封机制。第一个试验(如图11所示)检测电导率(EC)随时间的变化，以检测激活并用溶胀水凝胶密封后胶囊可能的泄漏。在这个试验中，将完全组装的胶囊和裸水凝胶浸入1M氯化钠和去离子水溶液中18小时，以确保在这两种环境中水凝胶完全溶胀。然后，将它们引入到单独的20mL新制的去离子水溶液中，并且利用Gw Instek LCR-821计，测量电导率的变化，持续8小时。考虑到去离子水的低电导率(0.05μS/cm)，电导率的任何显著增加都归因于去离子水和盐注入的水凝胶之间的流体交换。图12显示未扰动的去离子水溶液(1202)、暴露于裸水凝胶(1204)后的去离子水，以及暴露于密封胶囊(1206)后去离子水的电导变化图。如图所示，线1202和1206相互覆盖。由于溶液中缺乏离子，去离子水的基线电导接近0.5μS。当引入裸水凝胶时，由于水凝胶和环境之间流体的快速交换，介质的电导迅速增加。这种情况模拟密封机制的完全失效，其中将游离的钠和氯离子释放到新制介质中，从而增加系统的电导。胶囊内水凝胶的结果表明，历经8小时电导没有增加，表明胶囊没有泄露到新制介质中。

在第二个测试中，将完全组装的胶囊和裸水凝胶放入含红色食用染料的去离子水溶液中，保持18小时，以确保完全溶胀和食用染料完全吸收到两种水凝胶中。然后，将其取出并且放置在含有去离子水的单独容器中，不打开密封的胶囊。本试验的试验装置如图13所示：从左到右，烧瓶1302包含裸水凝胶1304在去离子水中，烧瓶1306包含密封的胶囊1308在去离子水中，烧瓶1310包含普通去离子水，以及烧瓶1312包含含有红色食用染料的去离子水。当比较烧瓶1302和1306中的溶液时，裸水凝胶和密封胶囊之间的差异变得明显。当裸水凝胶将其内容物释放到溶液中时，在烧瓶1302中观察到轻微的可见颜色变化。烧瓶1306中含有密封胶囊的溶液在视觉上与普通去离子水相似，因为密封机制防止任何泄漏。

此外，每小时，对两种条件下采集的100μL样品进行紫外可见光谱测量，并且利用BioTek Epoch^TM 2微板分光光度计检测其在510nm处的吸光度峰值。该试验用于评价和比较从裸溶胀水凝胶以及活化和密封胶囊中吸收/取样的食用染料的泄露率。图14所示的试验结果证实，密封机制在8小时内防止任何泄漏。当将食用染料释放到环境中时，裸水凝胶(图1404)对去离子水的吸收强度随时间增加。5小时后的急剧增加证实染料的存在。具有密封胶囊的去离子水(图1406)和纯去离子水(图1404)的吸收强度相当，并且随时间保持稳定，证实密封胶囊内的水凝胶与环境之间没有流体交换。在密封胶囊图1406中观察到的小峰反映由于本实施例中使用的紫外光谱仪的检测限而产生的噪声。

细菌取样和存活评价

除了检测密封机制的有效性外，评估水凝胶采集细菌的能力和确定取出细菌的培养是否可行也是至关重要的。该装置最相关的应用包括其能够进入目前无法进入的胃肠道区域，以采集活的细菌样品用于随后的培养。重要的是不仅要确定一旦摄入流体是否会发生进一步的流体交换，而且要确定细菌一旦被采集后是否能够存活。

在一个实施例中，为了确定细菌取样的有效性和理解水凝胶可以采集微生物的机制，从水凝胶中获取横截面SEM图像。特别的是，在Au/Pd溅射后，利用日立S-4800场发射扫描电子显微镜(SEM)评价所产生的水凝胶的微观结构网络及其在多孔基质中捕获细菌的能力。对裸和细菌捕获的水凝胶样品进行SEM成像。将第一个水凝胶样品置于PBS溶液中8小时，而将第二个水凝胶置于接种大肠杆菌(E.coli)的100％TSB溶液中。在进行SEM成像前，用SP Scientific的LyoStar 3冻干机，将两个水凝胶样品冷冻干燥18小时。

图15A-15D显示冷冻干燥的水凝胶浸没于去离子水溶液(15A和15B)和水凝胶浸没于接种大肠杆菌的100％TSB溶液(15C和15D)的横截面形态的SEM图像。低倍图像(15A和15C)显示交联的AA和AM单体的致密网络，孔径为10μm至50μm。图15B显示在去离子水中溶胀后水凝胶的清洁表面。图15C显示细菌在细菌溶液中浸没的水凝胶表面的存在。这些图像证实大肠杆菌能够附着在水凝胶的固体聚合物网络上。开发的超吸收性水凝胶的高孔隙率允许含有细菌的流体通过其基质流动，以及容易被水凝胶中结合的流体捕获。

在另一个实施例中，通过将装置引入培养溶液以模拟胃肠道环境中的肠道细菌菌群，来验证装置对细菌有效取样的能力。在不同的极端环境中测试胶囊在激活和密封后保护取样细菌的能力，这些环境直接影响直接接触细菌的生长和存活率。对于这项测试，将三个完全组装(但尚未激活/密封)的胶囊和三个裸水凝胶样品浸泡在含有大肠杆菌的100％胰蛋白酶大豆肉汤(TSB，Sigma Aldrich)溶液中，并且在37℃温育8小时。温育期间，将培养基中的细菌捕获在胶囊内的水化水凝胶基质和裸水凝胶样品中。接下来，从细菌培养溶液中除去一个活化/密封的胶囊和一个裸水凝胶样品，并且将其浸没于包含PBS的第一溶液中。从细菌培养溶液中取出另一个活化/密封的胶囊和一个裸水凝胶样品，并且将其浸没于包含在PBS中制备的1000μg/mL妥布霉素(抗生素)的第二溶液中。从细菌培养溶液中取出第三个激活/密封的胶囊和裸水凝胶样品，并且浸没于以1:10比例稀释于去离子水中的漂白剂的第三溶液中。将PBS用作生物相容性培养基和对照试验。将妥布霉素和漂白剂溶液用于验证活化胶囊的密封机制在保护取样细菌对抗极端恶劣环境的有效性。将含捕获细菌的裸水凝胶样品用作对照，以评价直接暴露于三种条件的取样细菌的存活率。将胶囊和裸水凝胶对在三种测试溶液的每一种中分别保存1小时；然后从溶液中取出样品，并且评价每种条件的存活细菌计数。捕获的细菌是通过解开胶囊的两部分并且用无菌接种环去除装载的水凝胶，并且将其放入10mL的100％TSB溶液中提取的。也将含捕获细菌的裸水凝胶样品直接转移到单独的10mL小瓶的TSB溶液中。通过在37℃、机械搅拌下温育20分钟，将所有水凝胶样品中捕获的细菌提取到TSB溶液中。水凝胶样品中存活细菌的数量是通过将提取的溶液铺板到胰蛋白酶大豆琼脂平板上并且计数菌落形成单位(CFU)的数量来确定的。

图16显示在不同溶液中从裸水凝胶和密封胶囊采集的细菌菌落的TSB/琼脂平板照片。用于不同试验的储存溶液的细菌浓度显示在左边。各条件下实际的CFU计数如图17所示。在该图中，一个柱表示暴露后裸水凝胶的CFU/mL，而另一个柱表示密封胶囊内水凝胶的CFU/mL。接种裸水凝胶中细菌的溶液的浓度低于所有条件下接种密封胶囊内水凝胶中细菌的溶液的浓度。对于浸没于PBS中的水凝胶，当比较裸水凝胶和密封胶囊内的水凝胶时，CFU/mL的数量下降3个数量级。由于其生物相容性和保存特性，PBS常用作细菌长期保存的培养基。基于该结果，随着将其引入到不同的溶液中，由于用裸水凝胶采集的初始样品稀释，细菌浓度降低。尽管稀释导致细菌浓度下降，但是浸没在含有妥布霉素和漂白剂溶液中的水凝胶中的细菌浓度有更明显的下降。当引入妥布霉素时，CFU/mL的数量下降了6个数量级，是PBS中下降的两倍。妥布霉素是一种氨基糖苷类抗生素，在浓度低至6.25μg/mL时可抑制大肠杆菌菌株的92％。基于妥布霉素的抑制能力，预期细菌浓度将急剧下降。同时，密封胶囊内水凝胶中较高浓度的细菌表明，密封机制保护水凝胶不与抗生素相互作用，同时表明水凝胶为细菌浓度长期保持提供了适宜的环境。

漂白剂中水凝胶的结果进一步证实密封的有效性以及水凝胶的生物相容性。漂白剂是一种强灭菌化学物质，它能在暴露后10分钟内完全杀死大多数菌株。漂白剂的强大抗菌特性抑制微生物的生长，使其在培养板上没有形成菌落(图16，中间图像)，因此，在图17中，没有显示浸泡在漂白剂中的裸水凝胶的柱状图。密封胶囊内的细菌能够在如此恶劣的环境中存活，这一事实表明，胶囊有能力在消化道不太恶劣的环境中保护水凝胶内的样品。

通过易于从胃肠道采集样品并且能够保护其基质内的微生物样品，使用快速吸收水凝胶证明是该装置的有效取样剂。简单的设计和被动取样/密封机制使得低成本制备和易于重复。这反过来又产生了可访问的工具来取样目前无法访问的胃肠道部分，这将进一步发展我们对如何将肠道微生物群作为健康指标的理解。

研究II

装置设计与装配

在一个实施例中，利用3D打印制备用于胃肠道被动取样钙卫蛋白的装置。该装置由四部分组成：生物可降解的肠溶包衣、包含第一壳体部分和帽的3D-打印壳体、取样水凝胶和气体可渗透的聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜(参见图2-3)。3D-打印的壳体是用SolidWorks(Dassault Systèmes)设计的，并且利用购自Formlabs的生物相容性树脂(EN-ISO 10993-1:2009/AC:2010,USP Class VI)，通过层厚为50μm的立体光刻，使用Form 2打印机(FormLabs)打印。3D打印后，将模型用99％纯异丙醇(IPA)冲洗15分钟，以除去任何残留物，然后在UV光固化设备(Formlabs Inc.)中进行后处理60分钟，以完成聚合。胶囊的最终外径和长度分别为9mm和15mm。内径和内部长度分别为5.6mm和13mm。将每个胶囊进行设计，以包含取样水凝胶以及放置在水凝胶和帽中形成的取样孔之间的PDMS膜。取样孔直径4mm。

PDMS膜是利用标准的1:10比例的固化剂与硅酮基质(Dow Corning)，并且在70℃固化4小时制成的。将计算机控制的CO2激光器(10.6μm波长)切割和雕刻系统(PLS6MW,Universal Laser,Inc.,Scottsdale,AZ)用于切割盘状物(直径5.5mm，并且高度2mm)。

pH敏感性聚合物肠溶包衣

胃肠道pH一般为1至7.5不同。本发明人已经认识到，含有羧基的阴离子聚合物在胃低pH时是不溶解的，但在肠道中性pH时是溶解的，因此可以用作取样装置上的肠溶包衣，以启动通过胃肠道的选择性取样。

分析了5种pH-敏感性聚合物在不同pH溶液中的溶解行为：(1)聚甲基丙烯酸-共-丙烯酸乙酯(

L100-55，Evonik，New Jersey)(“L100-55”)，(2)聚甲基丙烯酸-共-甲基丙烯酸甲酯(

L100，Evonik，New Jersey)(“L100”)，(3)羟丙基甲基纤维素酞酸酯(HP-55)聚合物(G.M.Chemie Pvt.Ltd，India)(“Chemie”)，(4)第二种HP-55聚合物(Shin-Etsu Chemical Co.，Japan)(“Shinetsu”)，以及(5)醋酸纤维素酞酸酯(CAP)(G.M.Chemie Pvt.Ltd，India)(“CAP”)。L100-55、Chemie和Shinetsu的溶解pH阈值为5.5，而L100的溶解pH阈值为6。

采用溶液包衣技术制备聚合物膜。对于L100-55和L100聚合物，通过涡旋10分钟，随后1小时水浴超声(Model 2510，Branson，Danbury，CT)，将

粉末(3.8g)溶于异丙醇(9.5g)和丙酮(6.32g)中。一旦粉末完全溶解，加入柠檬酸三乙酯(TEC)(0.38g；Sigma-Aldrich)作为增塑剂，并且将溶液搅拌2分钟。对于Chemie和Shinetsu聚合物，通过涡旋15分钟，随后30分钟水浴超声，将甲基丙烯酸-甲基丙烯酸甲酯共聚物粉末(1.29g)溶于水(3.716g)和乙醇(14.864g；Sigma-Aldrich)中。一旦完全溶解，将柠檬酸三乙酯(TEC)(0.129g)加入到溶液中，并且搅拌2分钟。对于CAP聚合物，通过涡旋15分钟，随后30分钟水浴超声，将CAP粉末(1.42g)溶于水(0.547g)和三乙酸甘油酯(355g；Sigma-Aldrich)中。为了计算校准曲线并且测量聚合物随时间的溶解，向每种聚合物溶液中加入亚甲基蓝(40mg；Sigma-Aldrich)，以增强可视化。

将刮刀包衣技术用于形成薄聚合物膜(MSK-AFA-II，MTI，USA)。利用刮刀将每种聚合物溶液铺在丙烯酸树脂片底物上，并且在70℃烧结4小时。对于L-100、L-100-55和CAP溶液，使用0.5mm规格刀片(Precision Brand)，而对于Chemie和Shinetsu溶液，使用1.25mm规格刀片，以形成50μm厚的干燥膜。一旦薄膜完全干燥，利用CO₂激光切割机切割10-mm的包衣盘状物，并且将其引入至pH缓冲液中。每隔10分钟收集样品，一式三份，并且利用BMGClariostar读板器(BMG Labtech，Germany)，完成每个样品的紫外可见光谱。

每种聚合物的校准曲线是利用填充40mL的pH 7.4溶液的单独容器获得的，表示25％、50％、75％和100％溶解。将1个盘状物放在代表25％溶解的容器中，两个盘状物放在代表50％溶解的容器中，三个盘状物放在代表75％溶解的容器中，以及四个盘状物放在代表100％溶解的容器中。将所有容器密封并且用铝箔覆盖，以避免染料的光降解，然后放在振摇平台上用于完全溶解。一旦盘状物完全溶解，将每个容器的200μL放入96孔板中，并且通过BMG Clariostar读板器测量吸光度。在pH 7.4缓冲介质中计算每种聚合物在亚甲基蓝最大波长(λ_max＝666nm)的校准曲线。测量空白缓冲介质的吸光度，并且将其从染料负载聚合物的吸光度中减去，以消除任何干扰。

然后，对于溶解试验，将来自每种聚合物溶液的四个包衣的盘状物浸入40mL的多种pH中，包括1.2和3.0(在禁食和喂食模式下模拟胃的胃酸性环境)，以及pH 6.8(模拟小肠的pH)。与获得校准曲线的方法相似，将容器密封并且用铝箔覆盖，以避免染料的光降解。每隔10分钟，将200μL溶液转移到96孔板中，并且用紫外-可见光谱仪测量吸光度值。通过与先前获得的每种聚合物的溶解曲线比较，将吸光度数据转换为随时间的溶解百分比。图18A-C显示每种聚合物包衣在胃pH(禁食模式的pH 1.2和喂食模式的pH 3.0)和小肠pH(pH 6.8)下的染料释放分布。

聚合物在pH 1.2下的溶解分布(图18A)表明，所有聚合物均保持完整，除Chemie和Shinetsu外，其约20分钟后开始部分溶解，分别溶解34±1.8％和28±1.7％。Chemie和Shinetsu在pH 3.0中表现出相似的降解，而L100-55、CAP和L100显示溶解度可忽略不计，分别为10.4±2.3％、14.2±1.0和14.3±2.1％，如果暴露在真实环境中，它们仍然可以防止任何流体流入胶囊(图18B)。相反，在pH 6.8下，除L100(溶解度32.3±2.6)外，所有有机制剂在2小时内完全溶解(图18C)。有机肠溶包衣的溶解顺序可以通过pKa和骨架结构来说明。例如，L100具有较高的pKa值并且显示较高的pH阈值，因此部分溶解于pH 6.8。与Chemie和Shinetsu相比，CAP的水不溶性骨架溶解较慢。总的来说，肠溶包衣制剂的溶解顺序为Chemie≈Shinetsu>L100-55>CAP>L100。由于在酸性环境下的低溶解和高pH条件下的快速溶解是有利的，因此选择L100-55进行进一步的胶囊试验。

水凝胶合成与表征

在一个实施例中，利用Signature Digital Vortex Mixer 945303(VWR，Radnor，PA，USA)，通过在室温将溶液涡旋3分钟，将作为交联剂的丙烯酰胺(4.5g；Sigma-Aldrich)和N,N’-亚甲基双丙烯酰胺(MBA)(0.15g；Sigma-Aldrich)溶解在10mL水中。通过鼓入氮气10分钟，将溶液彻底脱气，以取代作为聚合抑制剂的溶解氧。然后将过硫酸铵(0.1g；Sigma-Aldrich)作为引发剂加入到溶液中。将预胶凝溶液以150μL的体积转移到PDMS模具圆柱体中，然后将模具置于70℃的等温箱中过夜，以形成丙烯酰胺网络并且完全固化。对于溶胀率，将三种相同的干水凝胶称重，并且在振荡平台在100rpm下，在37℃培养箱内，浸没在25mL pH6.8和7.4的缓冲溶液中，保持36小时。每隔10分钟从缓冲溶液中移出水凝胶，并且用擦拭器轻轻擦去外表面上多余的缓冲液。测量每个水凝胶的质量。将溶胀率定义为溶胀率＝(W_t-W_i)/W_i，其中W_t和W_i分别为溶胀和干燥水凝胶的重量。

在本实施例中，通过测量溶胀率和溶胀速度来研究水凝胶的溶胀动力学。图19A显示完全干燥的水凝胶(左)和37℃于pH 6.8缓冲溶液中溶胀4小时的水凝胶的图片，该缓冲液含有亚甲基蓝以增强对比度(右)。如图19B所示，溶胀率试验结果显示在14小时接近稳定前，水在水凝胶链中预先存在或动态形成的间隙中的高扩散率。如果取样时间限制在2小时，溶胀超过130％，表明水凝胶有足够的吸水性来启动取样/密封机制。

还研究了水凝胶的延长，以测定PDMS膜何时会堵塞胶囊。对于延长试验，采用与溶胀率试验相同的步骤。每隔10分钟拍摄照片，并且用ImageJ软件分析以测定长度变化。结果表明，在60分钟内，PDMS膜的长度迅速增加，接近取样孔(图19C)。此时，由于水凝胶被纵向限制在胶囊储器中，当溶胀继续时，它继续向PDMS膜施加压力。

利用Admet Tensile Tester，记录溶胀时的水凝胶压力。将带有干水凝胶的胶囊放入容器中，同时将连接至10N测压元件的探针固定在水凝胶顶部。然后，将容器填充pH缓冲溶液，同时用顶置式混合器(Model 50006-03，Cole Parmer，IL，USA)以100rpm搅拌，来模拟胃肠道环境的干扰。历经一段时间，记录每种水凝胶产生的力，并且将其基于水凝胶横截面积转换为压力。在2小时内，水凝胶在7.07mm^2面积施加的压力超过1.7N，在力-压力转换后，该压力足以克服最大腔内压力100kPa。图19D表明，水凝胶在接触PDMS膜约20分钟后，能有效地超过最大胃肠压力，以密封胶囊并且防止流体交换。对于所有的特征，6.8和7.4的两种pH缓冲溶液显示出一致的相似趋势，表明在整个小肠的不同pH范围内水凝胶的行为是相同的。

蛋白质取样和提取

为了评价取样胶囊的取样性能，检测了三种大小和分子量相似的不同蛋白质，包括绿色荧光蛋白(GFP)、牛血清白蛋白(BSA)和钙卫蛋白(炎症的生物标志物)。选择GFP来直观地显示水凝胶组合物内的蛋白质捕获(图20A-D)。

GFP负载和表征

将GFP(Sigma-Aldrich，St.Louis，MO)稀释于PBS(Sigma-Aldrich，St.Louis，MO)中，以达到100μg/mL GFP浓度。将溶液转移到微量离心管中，并且以14,000×g离心1分钟(Sorvall Legend Micro 21Microcentrifuge，Thermo Fisher scientific，Waltham，MA，USA)，以沉淀任何GFP聚集体。将水凝胶引入到GFP上清液中，保持2小时，以定性地显示整个水凝胶结构中的蛋白质取样效率。这些图像是用High Performance 2UVTransilluminator UVP(Upland，CA，USA)和数码倒置显微镜(AMG EVOS fl，Bothell，WA)捕获的。为了监测水凝胶的GFP提取行为，将它们暴露于4mL PBS中，保持2小时，并且通过BMGClariostar读板器，每隔30分钟，进行荧光分析(激发最大波长为488nm，并且发射最大波长为510nm)。在每个时间点，将100μL转移到购自Corning(NY，USA)的紫外透明96孔微孔板中，一式三份，并且测量荧光。

由于水凝胶孔径较大，平均直径为5nm的GFP可以穿透水凝胶基质，如图20A所示，该图比较紫外线下暴露于GFP溶液(左)和去离子(DI)水(右)的水凝胶。与暴露于GFP溶液2小时的样品(图20C)相比，从相同水凝胶拍摄的显微图像也证实浸没在去离子水中的样品(图20B)没有颜色变化。

还测量了历经一段时间，从水凝胶中提取的蛋白质。将负载GFP的水凝胶引入磷酸盐缓冲盐水(PBS)中，并且每隔30分钟测量荧光。结果显示，在最初30分钟内，荧光强度出现高峰，这意味着从样品中迅速排出蛋白质，随后在相对恒定的强度下达到平衡(图20C)。这种快速的蛋白质递送归因于聚合过程中水凝胶结构内形成的大空隙，这有利于提取过程。提取试验证实在PBS中暴露60分钟内，GFP从水凝胶中释放(图20D)。

BSA负载和表征

接下来，研究BSA蛋白取样和提取。BSA的平均直径为约7nm。将牛血清白蛋白(Sigma-Aldrich,St.Louis,MO)用PBS(Sigma-Aldrich,St.Louis,MO)稀释两倍，系列稀释从10mg/mL至0.625mg/mL，共计5种浓度(10、5、2.5、1.25和0.625mμg/mL)。将无肠溶包衣的胶囊以100rpm浸入BSA溶液中，保持2小时。随后，将胶囊取出、拆卸，并且引入PBS培养基中提取2小时。为了验证PBS提取溶液中BSA的存在，将二辛可宁酸(BCA)分析用于检测蛋白含量。将25μL每种标准样品和未知样品加入到微板孔中，随后加入200μL工作试剂。在37℃温育30分钟后，将平板冷却至室温，然后通过BMG CLARIOstar Plus读板器测量562nm的吸光度。

选择562nm作为测量吸光度的波长，因为1:10稀释的测试环境浓度的紫外-可见光谱吸收在562nm处显示吸光度峰值(参见图21A)。为了获得BSA的取样-提取的校准曲线，将一式三份的无聚合物包衣的胶囊在多种测试环境浓度中于100rpm搅拌2小时以捕获样品，以考虑蠕动运动的干扰。然后，为了提取，将胶囊取出、打开，并且引入PBS中2小时。利用二辛可宁酸(BCA)分析，测定提取溶液中BSA的总浓度。在多种浓度的PBS提取溶液中观察到的吸光度如图21B所示，而从在不同BSA浓度的测试环境中浸没的胶囊提取的BSA的量如图21C所示。可以看出，相对于测试环境中BSA浓度，提取的BSA的量呈可靠的线性趋势。

钙卫蛋白的负载和表征

将钙卫蛋白(MyBioSource，San Diego，CA)在Tris缓冲液(20mM Tris，100mMNaCl，pH 7.4)中重构至1mg/mL浓度。将蛋白质溶液进一步稀释成四种不同的浓度。将完全组装的胶囊浸入4mL每种浓度溶液中2小时，同时将小瓶以100rpm搅拌。然后，打开胶囊，并且将内容物转移到4mL缓冲液中，以100rpm搅拌再次提取2小时。根据标准制造商方案(4-240ng/mL)，利用

fCAL ELISA，采用酶联免疫吸附试验(ELISA)测定钙卫蛋白。将提取缓冲液装载到包被捕获抗体的96孔板。温育30分钟并且洗涤后，加入与辣根过氧化物酶(HRP)缀合的检测抗体，其中检测抗体连接钙卫蛋白。温育和洗涤后，加入四甲基联苯胺(TMB)(形成蓝色)，然后加入终止溶液(变为黄色)。在450nm处，用BMG CLARIOstarPlus读板器测定吸收。

为了提取，将胶囊内容物缓冲液交换到Tris缓冲液中2小时，同时以100rpm搅拌。根据钙卫蛋白标准曲线(图21D)，通过酶联免疫吸附试验(ELISA)分析提取的钙卫蛋白浓度，并且与测试环境浓度(图21E)进行比较。获得BSA和钙卫蛋白取样-提取试验(图21C，图21E)，以及BSA和钙卫蛋白分别为2.6％和3.2％的提取浓度/测试环境浓度(E值)的线性趋势，表明提取和测试环境浓度之间存在可靠的相关性。

体外染料取样

为了评价胶囊在真实胃肠道过渡时间的取样性能，将完全组装的胶囊在不同水性颜色和缓冲液中组装，如图22A所示(从左到右)：图22A中的pH 7、3、6.8和7.4。这些pH环境有助于模拟沿胃肠道的pH变化。基于胃肠道保留时间，将一组三个胶囊分别引入前述的每种pH缓冲溶液中，依次持续1分钟、2小时、2小时和18小时。在每个时间段后，打开胶囊，并且观察液体渗透或水凝胶颜色变化。在胃内(pH 3)保留2小时后，打开的胶囊显示肠溶包衣完整，致使水凝胶颜色没有变化，并且壳体内没有流体内容物(图22B)。这证明聚合物在酸性环境中抵抗溶解的功效。相反，在小肠(pH 6.8缓冲液)中封闭2小时后打开的胶囊显示完全溶解的肠溶包衣，这产生取样库内有缓冲液内容物的溶胀的蓝色水凝胶(图22C)。为了评价取样前后胶囊的密封性能，在将胶囊引入缓冲液之前和之后，检测缓冲液的吸光度。结果显示没有峰值增加(即没有流体交换)，表明胶囊的适合密封(图22D-F)。

BSA和钙卫蛋白的体外取样

为了研究胶囊在取样BSA和钙卫蛋白中的功效，在体外进行了两个试验。提供四种不同pH缓冲溶液：pH 7、3、6.8和7.4。将蛋白质仅注入pH 6.8缓冲溶液(模拟小肠的缓冲溶液)中。

对于第一个试验，将BSA用作pH 6.8溶液(模拟小肠)中取样的目标分析物。对于所有的体外研究，使用三种胶囊，并且报告提取的分析物的平均值。试验取出胶囊后，将水凝胶中取样的分析物从胶囊中提取出，并且将其引入单独的含PBS的小瓶中，保持2小时。通过BCA分析和紫外-可见光谱分析来测定从水凝胶中提取的BSA的量，与上述缓冲液测试条件下进行的分析相比，其显示相似的提取浓度(图23A)。对于第二个试验，将钙卫蛋白用作目标分析物进行取样，并且添加到模拟小肠(pH 6.8)溶液中，并且通过ELISA确定输出。含正常钙卫蛋白水平(<100μg/mL)的测试环境浓度的提取结果与缓冲液试验的浓度相匹配，支持在体外测试条件下胶囊取样性能的可靠性(图23B)。

离体钙卫蛋白取样

然后，通过进行离体试验研究肠液复杂性对胶囊取样性能的影响。将钙卫蛋白加入新鲜分离的猪小肠中，然后进行取样提取步骤(图24A-C)。图24A显示填充钙卫蛋白负载的肠液的小肠一段，里面有两个取样胶囊。图24B显示胶囊的取出。图24C显示拆卸的胶囊，将取样的肠液放入Tris缓冲溶液中提取2小时。如图24D所示，选择两种测试环境浓度，以检测正常(113μg/mL)和升高(745.5μg/mL)的钙卫蛋白水平。离体提取值3.85μg/mL和27.5μg/mL与缓冲液和体外试验中获得的2.6％E值没有显著差异。总之，取样胶囊似乎是一种可靠的装置，可以从小肠特异性捕获钙卫蛋白，并且有效地保护它，直到将胶囊排出体外。在该实施例中，该装置包含进入小肠后1小时溶解时间的肠溶包衣，以及溶胀和胶囊封闭时间1.4小时的水凝胶。小肠的停留时间一般为4至6小时，选择平均2.4小时的取样时间，以允许1.6小时的剩余时间，以允许在小肠内的胶囊取样过程中出现任何不必要的延长阶段。

本公开的多个方面可以单独、组合使用，或者以前面描述的实施方案中未具体讨论的多种排列，并且因此不限于将其应用于前文描述中阐述的或附图所示的组件详述和排列中。例如，可以将一个实施方案中描述的方面以任何方式与其它实施方案中描述的方面组合。因此，虽然已经结合多种实施方案和实施例描述了本发明的教导，但并不旨在将本发明的教导限于所述实施方案或实施例中。相反，本发明的教导包括多种替代、修饰和等效方案，正如本领域技术人员应当理解的。因此，上文描述和附图仅作为示例。

Claims (38)

1.胃肠道被动取样装置，该装置包含：

包围囊腔的胶囊壳体；

取样孔，其在胶囊壳体中形成并且提供囊腔和胶囊壳体外部之间的流体连通；

取样水凝胶，其位于囊腔内，其中当暴露于样品流体时，将取样水凝胶构造为吸收样品流体，在囊腔内膨胀，并且储存样品流体，用于随后的分析；和

密封构件，其位于取样水凝胶和取样孔之间的囊腔内，其中取样水凝胶在囊腔内膨胀，将密封构件按压至与取样孔密切接合，以密封囊腔。

2.权利要求1的装置，其还包含覆盖取样孔的生物可降解包衣，其中生物可降解包衣降解暴露取样孔，以允许流体流入囊腔。

3.权利要求2的装置，其中生物可降解包衣是构造为在胃肠道中的预定位置降解的肠溶包衣。

4.权利要求1的装置，其中胶囊壳体包含亲水包衣。

5.权利要求4的装置，其中亲水包衣是通过将胶囊壳体暴露于等离子体处理，随后聚乙二醇处理而形成的。

6.权利要求1的装置，其中取样水凝胶由丙烯酸和丙烯酰胺单体合成。

7.权利要求6的装置，其中丙烯酸单体与丙烯酰胺单体的比例为约10％丙烯酸单体和约90％丙烯酰胺单体。

8.权利要求1的装置，其中密封构件是至少部分气体可渗透的。

9.权利要求8的装置，其中密封构件是聚二甲基硅氧烷膜。

10.权利要求1的装置，其中胶囊壳体包含第一壳体部分和第二壳体部分，它们可移除地彼此连接，以形成胶囊壳体。

11.权利要求10的装置，其中第一和第二壳体部分通过螺旋接口彼此连接。

12.权利要求10的装置，其中取样孔在第一壳体部分形成。

13.权利要求1的装置，其中将取样水凝胶构建和布置，以在密封胶囊后，保持样品流体中存在的活细菌存活至少1小时。

14.权利要求13的装置，其中将取样水凝胶构建和布置，以在密封胶囊后，保持样品流体中存在的活细菌存活至多24小时。

15.权利要求1的装置，其中取样水凝胶是胶囊壳体内构造为吸收样品流体的仅有组件。

16.用于患者胃肠道被动取样的方法，该方法包括：

给患者施用可摄取装置，其包含：

包围囊腔的胶囊壳体，

取样孔，其在胶囊壳体中形成并且提供囊腔与胶囊壳体外部之间的流体连通，

位于囊腔内的取样水凝胶，和

位于取样水凝胶和取样孔之间的囊腔内的密封构件；

将取样水凝胶暴露于患者胃肠道内的样品流体；

将样品流体吸收到取样水凝胶中；

通过吸收样品流体使囊腔内的取样水凝胶膨胀；

通过取样水凝胶膨胀将密封构件按压至与取样孔紧密接合来密封囊腔；

在装置通过患者胃肠道后取出装置；和

在取出装置后从取样水凝胶取出样品流体。

17.权利要求15的方法，其还包括从取样水凝胶取出样品流体后，分析样品流体。

18.权利要求15的方法，其还包括在密封囊腔后，保持样品流体中存在的活细菌存活至少1小时。

19.权利要求18的方法，其中在密封囊腔后，保持样品流体中存在的活细菌存活至多24小时。

20.胃肠道被动取样装置，该装置包含：

包围囊腔的胶囊壳体；

取样孔，其在胶囊壳体中形成并且提供囊腔与胶囊壳体外部之间的流体连通；

溶液浇铸的肠溶包衣，其覆盖取样孔，其中肠溶包衣降解暴露取样孔，以允许流入囊腔。

21.权利要求20的装置，其中溶液浇铸的肠溶包衣由刮刀形成。

22.权利要求20的装置，其中将肠溶包衣构造为在胃肠道中的预定位置降解。

23.权利要求20的装置，其中肠溶包衣具有50μm的厚度。

24.权利要求20的装置，其中肠溶包衣包括选自以下的材料：羧酸基团、聚甲基丙烯酸-共-丙烯酸乙酯、聚甲基丙烯酸-共-甲基丙烯酸甲酯、羟丙基甲基纤维素酞酸酯聚合物、羟丙甲纤维素酞酸酯、醋酸纤维素酞酸酯和聚醋酸乙烯酯酞酸酯。

25.权利要求20的装置，其中肠溶包衣具有平坦的外表面。

26.权利要求20的装置，其中肠溶包衣仅延伸穿过胶囊壳体部分的一部分。

27.权利要求20的装置，其中取样孔在胶囊壳体的凹槽中形成，并且其中肠溶包衣在凹槽内接收。

28.权利要求20的装置，其中肠溶包衣是圆形的。

29.权利要求20的装置，其中肠溶包衣围绕胶囊壳体的整个外部。

30.权利要求20的装置，其还包含位于囊腔内的取样水凝胶，其中当暴露于样品流体时，将取样水凝胶构造为吸收样品流体，在囊腔内膨胀，并且储存样品流体，用于随后的分析。

31.制备胃肠道被动取样装置的方法，该方法包括：

提供具有囊腔和取样孔的胶囊壳体，取样孔提供囊腔和胶囊壳体外部之间的流体连通；

利用溶液浇铸技术在取样孔上方形成肠溶包衣，以覆盖取样孔。

32.权利要求31的方法，其中溶液浇铸技术包括使用刮刀。

33.权利要求31的方法，其中肠溶包衣仅在胶囊壳体的一部分上形成。

34.权利要求31的方法，其中肠溶包衣形成为平面。

35.权利要求31的方法，其还包括提供囊腔内的取样水凝胶，其中当暴露于样品流体时，将取样水凝胶构造为吸收样品流体，在囊腔内膨胀，并且储存样品流体，用于随后的分析。

36.权利要求1的装置，其中取样水凝胶由丙烯酰胺单体合成。

37.权利要求20的装置，其中溶液浇铸的肠溶包衣是通过液滴浇铸形成的。

38.权利要求31的方法，其中溶液浇铸技术包括液滴浇铸。

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