研究背景
人体肠道包含数万亿微生物，这些微生物的不平衡与炎症、免疫、代谢等疾病密切相关。现有粪便采样无法区分肠道不同区域的微生物群，而内窥镜采样成本高昂且难以触及近端肠道区域。近期胶囊技术的进展为肠道微生物组采样提供了新方法，但现有设备多依赖磁力或机械驱动，存在结构复杂、需外部操控等问题。
技术创新
研究团队开发的CORAL胶囊（细胞组织化重复晶格）采用完全被动采样机制，其设计灵感来自海洋珊瑚的高度复杂多孔结构。该装置通过三重周期极小表面(TPMS)晶格微结构实现细菌捕获，具有以下创新特性：
- 仿生结构：TPMS晶格模拟珊瑚的多孔拓扑结构，提供高表面积（80-100μm孔径）和结构鲁棒性
- 单步制造：采用投影微立体光刻(PμSL)技术，通过光固化树脂实现微米级精度的单步增材制造
- 核心壳体设计：包含外壳（取样结肠）和内核（取样小肠）的双组件设计，防止不同区域样本交叉污染
实验验证
通过体外（ex vivo）和体内（in vivo）实验验证：
- 体外测试：将胶囊通过大鼠新鲜小肠段，扫描电镜显示胶囊孔道和表面均成功捕获大量细菌
- 体内测试：17只雄性Sprague-Dawley大鼠口服胶囊后，微CT证实所有胶囊均完整通过消化道，无聚集或阻塞现象
- 微生物组分析：
- 16S rRNA测序显示，CORAL内核样本中厚壁菌门(Firmicutes)占比显著高于粪便样本
- 乳酸杆菌属(Lactobacillus)等近端肠道优势菌在CORAL样本中富集程度提高3-5倍
- 相比粪便样本，CORAL成功检测到黏膜附着菌（如Akkermansia、Romboutsia）的富集特征
临床意义
该技术突破传统采样局限，首次实现小肠等难达区域微生物组的非侵入式精准采集：
- 解决了现有技术的三大挑战：1）延迟采样启动，2）上/下消化道样本隔离，3）低微生物密度环境的采样效率
- 开发的pH响应涂层（pH>5.5溶解）确保胶囊在小肠精准释放
- 通过晶格参数优化，使样本容量达到壳体25μL/内核4μL的实用水平
技术优势
相较于现有主动采样设备，CORAL具有显著优势：
- 结构简化：无任何运动部件或致动机制，制造良率提升至95%以上
- 成本控制：单个胶囊制造成本低于20美元（批量生产后可降至5美元）
- 扩展潜力：数学定义的TPMS结构支持快速几何优化，可扩展至人用尺寸（00号胶囊标准）
未来展望
该技术即将进入临床转化阶段，需解决以下挑战：
- 放大制造工艺验证（从2.1mm×8.2mm放大至人用尺寸22mm×7.3mm）
- 开发新型样本回收系统（如磁性回收或射频识别技术）
- 优化DNA提取方法以适应小肠黏液环境
这项研究为探索肠道微生物空间异质性提供了革命性工具，特别是在近端肠道微生物与饮食、代谢性疾病关系研究中具有重要应用前景。通过数学建模与增材制造技术的结合，为个性化医疗设备开发提供了新范式。
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