現在應該跑去洗手間嗎？或者你能撐回家嗎？新的植入物和相關的智慧型手機應用程式有一天可能會消除方程式中的猜測工作。
西北大學的研究人員開發了一種新型柔軟、靈活、無電池的植入物，可以附著在膀胱壁上感知充盈情況。然後，它以無線方式-；同時——；將數據傳輸到智慧型手機應用程序，以便用戶可以即時監測膀胱充盈度。
該研究將於下週發表在 訴訟中的國家科學院院士 (國家科學院院刊）。它標誌著生物電子感測器的第一個例子，可以長時間連續監測膀胱功能。
雖然這種新設備對一般人來說是不必要的，但對於癱瘓、脊柱裂、膀胱癌或末期膀胱疾病患者來說，它可能會改變遊戲規則。膀胱功能經常受到損害，可能需要膀胱重建手術。該感測器系統還可以使臨床醫生能夠遠端持續監控患者，以獲取更多資訊；並且更快-；治療決定。
「如果膀胱神經因手術或脊柱裂等疾病而受損，那麼患者通常會失去知覺，並且不知道自己的膀胱已滿，」這項工作的聯合領導者、西北大學的吉列爾莫·A·阿米爾(Guillermo A. Ameer) 說。 「為了排空膀胱，他們經常不得不使用導尿管，這很不舒服，並且可能導致痛苦的感染。我們希望消除導管的使用並繞過當前的膀胱功能監測程序，這些程序具有高度侵入性，非常令人不愉快，並且必須在醫院或臨床環境中進行。”
阿米爾是再生工程專家，是西北大學麥考密克工程學院生物醫學工程丹尼爾·黑爾·威廉斯教授和西北大學范伯格醫學院外科教授。他也負責指導由美國國立衛生研究院資助的高級再生工程中心和博士前再生工程培訓計畫。
阿米爾與西北大學的約翰·A·羅傑斯和阿倫·夏爾馬共同領導了這項研究。作為生物電子學先驅，羅傑斯是麥考密克和范伯格大學材料科學與工程、生物醫學工程和神經外科的 Louis Simpson 和 Kimberly Querrey 教授。他也領導奎裡·辛普森生物電子研究所。 Sharma 是 Feinberg 泌尿外科和 McCormick 生物醫學工程研究副教授。他也是芝加哥 Ann & Robert H. Lurie 兒童醫院 Stanley Manne 兒童研究所的小兒泌尿再生醫學主任。
其運作方式和初步結果
由於神經、大腦或脊髓的問題，數百萬美國人患有膀胱功能障礙。這些問題可能是由脊柱裂等先天缺陷引起的；一個人出生時脊椎就受損－；或在生命中任何時刻所遭受的外傷。如果不及時治療，嚴重的膀胱功能障礙會導致日常感染和排尿問題，最終導致腎臟損傷，進而影響整個身體。讓醫生能夠遠端監控患者可以更快地進行幹預。
為了監測膀胱，新設備包含多個感測器，這些感測器一起工作來測量一個簡單的參數：應變。當膀胱充滿時，它會擴張。膀胱越充盈，伸展越多。這種拉伸會拉動類似彈性的裝置來發出應變訊號。同樣，當膀胱排空時，它會收縮，從而緩解壓力。當感測器偵測到不同程度的應變時，該裝置使用嵌入式藍牙技術將這些資訊傳輸到智慧型手機或平板電腦。
這裡的關鍵進展是開發超軟、超薄、可拉伸的應變片，它可以輕輕地包裹膀胱的外表面，而不會對自然填充和排空行為施加任何機械限制。”
約翰·A·羅傑斯，西北大學
在小動物研究中，該系統成功地即時測量了 30 天的膀胱充盈和排空情況。然後，在一項使用非人類靈長類動物的研究中，該系統成功地傳遞了八週的信息。研究人員也證明，感測器足夠靈敏，可以檢測極少量尿液中的壓力。
「這項工作是同類中第一個適合人類使用的工作，」阿米爾說。 「我們展示了該技術的潛在長期功能。根據使用案例，我們可以將技術設計為永久駐留在體內或在患者完全康復後無害地溶解。”
膀胱再生和功能恢復
儘管這項新技術本身很有用，但 Ameer 認為它是膀胱功能恢復完全整合系統的組成部分。
就在上個月，Ameer 和 Sharma 推出了一種可生物降解的合成柔性“膀胱貼片”，發表在 PNAS Nexus 上。基於檸檬酸鹽的「貼片」植入了患者自身的幹細胞—；被稱為促再生支架（PRS）-；使外科醫生能夠重建膀胱，而無需採集腸道組織，這是該手術的當前臨床標準。此「補片」與天然膀胱組織一起擴張和收縮，支持膀胱細胞的遷移和生長。然後它慢慢溶解，留下新的膀胱組織。研究人員證明，新組織在整個兩年的研究中仍然保持功能。
「我們正在努力將我們的膀胱再生技術與這種新型無線膀胱監測技術相結合，以恢復膀胱功能並監測手術後的恢復過程，」阿米爾說。 「這項工作使我們更接近智慧再生系統的現實，這些系統是可植入的促再生設備，能夠探測其微環境，以無線方式向體外報告這些發現（向患者、照護者或製造商），並能夠按需或編程改變路線並提高設備性能或安全性的響應。”
夏爾馬說：“這項技術代表了一項重大進步，因為目前沒有其他基於組織工程的方法可供這些患者使用。” “我相信這將有助於改善許多患者的生活質量，他們現在將能夠避免使用腸道組織及其各種併發症。”
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Ameer 繼續與 Rogers 和 Sharma 合作，為系統建立新功能。他們目前正在探索植入物可以刺激膀胱以按需排尿的方法。
「除了監控填充情況外，該應用程式還能夠向患者發送警告，然後引導他們前往最近的衛生間，」阿米爾說。 “此外，有一天，患者將能夠透過智慧型手機按需觸發排尿。”
阿米爾、夏爾馬和羅傑斯是辛普森奎裡生物奈米技術研究所的成員。阿米爾和羅傑斯也是生命過程化學研究所和國際奈米技術研究所的成員；羅傑斯是西北大學羅伯特·H·盧裡綜合癌症中心的成員。
這項名為「用於監測手術康復後膀胱功能的無線植入式生物電子系統」的研究得到了國家糖尿病、消化和腎臟疾病研究所以及國家生物醫學成像和生物工程研究所的支持。
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