24岁MIT中国访问生联合研发“剪纸支架”穿刺给药

24岁MIT中国访问生联合研发“剪纸支架”穿刺给药，已在猪体内完成测试，或可在人类管状器官中快速部署｜专访

原创 多加 DeepTech深科技 4天前

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6 月 14 日，24 岁的南京青年施一超，继去年和麻省理工学院（MIT）科学家合作发表顶刊论文之后，再次以本科身份在 Nature Materials 参与发表第二篇顶刊论文。做相关研究时，他是多伦多大学的大三在读生，同时也是 MIT 的访问学生。

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图 | 施一超（来源：受访者）

研究中，该团队研发出一种名为 Kirigami stent（剪纸支架）的可扩展支架，设计上运用了仿生学和剪纸艺术。相比市售支架，Kirigami stent 可完成独特且可逆的三维形态转变。

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图 | Kirigami stent（来源：受访者）

他告诉 DeepTech，该成果系与 MIT 科学家萨哈·巴巴伊（Sahab Babaee）、MIT 机械系助理教授乔瓦尼·特拉弗索（Giovanni Traverso）等作者一同合作完成。

当天，该论文以《用于持续定点给药的 Kirigami stents》（Kirigami-inspired stents for sustained local delivery of therapeutics）为题，发表在 Nature Materials 上，施一超担任第二作者。

他表示，自己主要参与样品设计与制作、有限元仿真分析、体内体外动物实验和力学性能的分析等。

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图 | 相关论文（来源：受访者）

Kirigami stents 的机械变形和给药效率，是其主要创新点。未充气时，Kirigami stent 保持光滑的圆柱结构，以便于从体外到体内的传送；充气后，Kirigami stent 会大幅向外伸出尖针结构，刺入消化道内壁以完成快速定点大剂量传送药物。

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图 | 未充气时和充气时的 Kirigami stent（来源：受访者）

Kirigami stent 主要由一个气动软体驱动器、和一个有着剪纸图案的塑料外壳组成。通过激光切割，光滑的塑料会呈现出规律的三角形针头图案，这些图案包裹在软体驱动器上。

当驱动器伸长时，塑料外壳会被拉动、并张开三角形针头图案，从而让针穿透器官内壁，并输送含有药物的微粒。在支架移除后的一段时间内，这些微粒会在器官内壁上持续向周围组织给药。

据悉，该支架可将药物输送到胃肠道、呼吸道或其他管状器官。这种定点给药的方式，能更容易地治疗影响胃肠道的炎症性疾病，如炎症性肠病、或嗜酸性食管炎。

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图 | CT 成像下张开针头的 Kirigami stent（来源：受访者）

模仿蛇鳞和鱼鳞，插入体内无惧食物残渣

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在治疗炎症性肠病时，医生往往把药物注射到患者体内来进行治疗。由于无法直接治疗受伤组织，患者的免疫系统会被损伤，并会给身体其他部位带来副作用，因为这些药物很难被直接注射到直径只有几厘米的管状器官内。

该团队提出的解决办法，是让支架通过拉伸产生形变，从而可沿着径向和轴向去输送药物。

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图 | 有限元仿真分析中的 Kirigami stent（来源：受访者）

事实上，将任何支架插入消化道都是一件棘手事，因为食物残渣会不断通过消化道，而且消化道的内壁非常光滑。

为了能让支架插入消化道，该团队提出一种想法，即把支架快速临时地插入，并让其牢固地扎在目标器官中，如此便可传递有效载荷，并且可被轻易移除。

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图 | 对于持续给药的实验设计和结果（来源：受访者）

另据悉，Kirigami stents 塑料外壳的剪纸图案模仿了蛇鳞和鱼鳞。施一超和前文的 MIT 科学家萨哈·巴巴伊、乔瓦尼·特拉弗索，对于此类剪纸图案一直颇有研究。

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动图 | 设计灵感来源（来源：受访者）

此前，他们就将类似的设计运用在鞋底防滑上，并于 2020 年在 Nature Biomedical Engineering 发表了题为《仿生剪纸超表面作为辅助鞋夹》（Bioinspired kirigami metasurfaces as assistive shoe grips）的论文，其中施一超担任共同作者。

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图 | 2020 年施一超相关论文（来源：受访者）

由于结合了机械力学概念和自然界鳞状皮肤动物的生物灵感，该团队借此开发出一种新型药物释放系统，从而可将大剂量药物直接注射到管状器官腔壁上，药物释放时间也可得到延长。

他们还给塑料外壳喷涂了携带药物的微粒，在内窥镜的帮助下将支架插入食道后，给软体驱动器充气，即可让支架呈现出轴向伸长。支架的伸长会拉动塑料外壳的三角形针头向外张开，扎入器官内壁进行给药。

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（来源：受访者）

整个系统动态且可逆，针头可以向外伸出或收起。此外，可逆性还能保证设备在体内体外间传送时，针尖不会损伤其他器官，从而提高整体安全性。

同时，该系统还可制作成各种尺寸，并能和胃肠道或任何管状器官的直径大小相匹配。

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图 | 通过改变针头的形状来控制扎入组织的深度（来源：受访者）

此外，施一超与合作者还测试了几种不同大小和形状的剪纸图案，通过改变图案中三角形针和塑料片的厚度，即可得到不同效果的锋利针头。而且，给图案中添加凸起结构，还能控制针进入组织的深度。

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图 | 通过切片分析，以及荧光剂来分析针头扎入的效果（来源：受访者）

在成年猪食道做测试，可实现布地奈德的持续给药

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在优化设备的力学结构后，施一超等人给 Kirigami stent 的塑料外壳上喷涂了载有布地奈德的微粒。为测试延长药物递送的效果，他们把 Kirigami stent 在成年猪食道中做了测试。

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（来源：受访者）

据了解，布地奈德是治疗炎症性肠病和嗜酸性食管炎的高效抗炎药。在移除支架之前，他们把 Kirigami stent 针头扎入内壁两分钟，并穿透了大约半毫米的组织。

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图 | 涂有布地奈德的微粒的 Kirigami stent（来源：受访者）

使用 Kirigami stent 之后，通过在不同时间点（药物递送后 1 天、3 天 和 7 天）检查动物组织中的布地奈德的剂浓度，结果发现该系统可实现布地奈德的持续给药。

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（来源：受访者）

具体来说，一旦含有药物的微粒通过张开的针头沉积在管状器官内壁的组织中，该团队就会把 Kirigami stent 中的软体驱动器放气，从而让含有针头的塑料外壳恢复光滑的平面，接着该设备会从内窥镜从体内拖出。

整个过程只需几分钟，但却保证了大剂量的微粒留传递到组织中，并在一周内将布地奈德逐渐释放。

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（来源：受访者）

根据颗粒的不同组成，该支架可实现更长时间的药物释放，从而让使患者更容易保持在定期服药时间表上，因为他们不再需要自己服用药物，而是通过单次的快速插入 Kirigami stent 即可完成持续给药。

该团队还发现，该成果也可植入血管和呼吸道。目前，他们正致力于测试其他类型的药物、以及优化生产过程，以便最终用于临床试验。

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图 | Kirigami stents 的设计、应用和优化（来源：受访者）

谈及研发支架时最难忘的事情，施一超表示，对于一个体内医疗设备来说，它的安全性和治疗效果一样重要。

他告诉 DeepTech，研发 kirigami stents 时，如何从体内安全地取出设备，是患者的核心关注点，剪纸结构在变形后会形成尖锐的针头，如果卡在体内无法取出将会非常危险。

在仔细优化结构设计、并比较材料的机械性能后，针对不同的目标器官，该团队制作了不同硬度的 Kirigami stents，并通过胃镜等类似设备确保 Kirigami stents 在从体内取出前，通过排气可完全恢复到初始的光滑圆柱结构。

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图 | 改变剪纸图案和厚度对 Kirigami stents 的影响（来源：受访者）

该设备有一个很大的优势在于它可以应用于各类管状器官。除了消化道，该团队还在呼吸道和主动脉中进行过测试。

其中，大动脉中流动的血液降低了 Kirigami stents 的给药效率试。

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（来源：受访者）

未来他们还需测试 Kirigami stents 传送其他不同药物的可行性，并将继续通过一系列模拟和实验，来将 Kirigami stent 用于临床治疗。

他们还希望，该系统也可部署在气管和髂动脉等结构中，从而改善一系列疾病的靶向治疗和持续治疗。

该团队的愿景是，让相关患者告别定期服用处方药，如类固醇或其他药物。使用一次，就能让药物颗粒在发炎组织内持续一个月的有效给药，从而真正改变患者的体验。

关于读书经历，施一超告诉 DeepTech，他于 2020 年毕业于加拿大多伦多大学工程与应用科学学院，本科期间先后前往新加坡南洋理工大学、韩国高丽大学、英国利物浦大学、麻省理工学院进行访问交流，并于 2020 年来到美国宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院攻读博士学位。

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