CAREER: Multisensory Soft Bioelectronics for Comprehensive Monitoring of Gastrointestinal Physiological Interplay

职业:用于全面监测胃肠道生理相互作用的多感官软生物电子学

基本信息

  • 批准号:
    2339495
  • 负责人:
  • 金额:
    $ 50万
  • 依托单位:
  • 依托单位国家:
    美国
  • 项目类别:
    Continuing Grant
  • 财政年份:
    2024
  • 资助国家:
    美国
  • 起止时间:
    2024-05-01 至 2029-04-30
  • 项目状态:
    未结题

项目摘要

The gut, or gastrointestinal tract, widely regarded as our “second brain,” represents the body’s most sophisticated physiological system with complicated biochemistry and biomechanics: (1) Gut biochemistry: it is the home to trillions of microbes that not only transform the diet into key nutrients but also release a variety of neurotransmitters (such as serotonin) and hormones, exerting a marked influence on our physical and mental health. (2) Gut biomechanics: it has multiple muscle layers that stretch and contract synchronously to produce a diverse gut motility pattern for digestion and nutrition absorption. The complex interplay between the gut’s biochemistry and biomechanics constitutes the fundamental physiology of the gastrointestinal system. Dysregulation of these processes can lead to diverse neurological, immune, and bowel disorders. However, studying the complicated physiological inter-regulation in such a series of soft, stretchy, long, and twisting organs with a variety of motility patterns has been a long-standing challenge due to the mechanical mismatch between the biological tissue and conventional electronic components. This project seeks to fill this critical technology gap by developing a soft multisensory bioelectronic device that provides robust and intimate tissue coupling while maintaining its biochemical and biomechanical sensing function during continuous gut motion. The outcomes will be new biodata to spur our fundamental understanding of gut physiology, the interplay between serotonin dynamics and gut motility, as well as new bioelectric tools to diagnose and treat digestive and neurological disorders. This project aims to broaden the participation of young people in engineering, with a particular emphasis on underrepresented minorities and female students. This will be achieved through a comprehensive education plan with a variety of engaging activities, including K-12 student and teacher summer programs on electronics and robotics, undergraduate research programs and design-focused courses, and science and art festival demonstrations.This CAREER proposal aims to integrate unconventional electronic materials and device design, innovative microfabrication methods, wireless hardware, and computational methods, to develop a new type of high-performance multisensory soft bioelectronics capable of simultaneously monitoring gut biochemical release and physical motion with minimized perturbation to the biological system. The proposed multisensory bioelectronic device, with the goal of decoding the gut serotonin and motility interplay, will integrate: (1) A new soft biosensor array for high-resolution gut serotonin detection and mapping, (2) A new soft physical sensor array for high-performance gut motility monitoring, and (3) An implantable wireless integrated circuit for data recording and transmission in freely moving animals and computational methods for the newly produced biodata analysis. With multimodal sensing and mechanical softness, the resulting bioelectronic device will provide robust and intimate tissue coupling while maintaining its high-performance biochemical and biomechanical sensing function during continuous gut motion at its natural state. In the long term, the new bioelectronic tool described here will not only generate new knowledge in electrical materials and biosensing but also provide new insights into studying gut physiology and microbiota–gut–brain communication, potentially leading to new tools to diagnose and treat various neurological and digestive diseases.This award reflects NSF's statutory mission and has been deemed worthy of support through evaluation using the Foundation's intellectual merit and broader impacts review criteria.
肠道或胃肠道被广泛认为是我们的“第二大脑”,代表着人体最复杂的生理系统,具有复杂的生物化学和生物力学:(1)肠道生物化学:它是数万亿微生物的家园,这些微生物不仅会将饮食转化为关键的营养素,而且会释放出众多的杂物(例如,播出了杂物症)(例如,恐怖仪式)(例如,恐怖仪)(例如,恐怖症)(例如)我们的身心健康。 (2)肠道生物力学:它具有多个肌肉层,可以同步拉伸和收缩,以产生不同的肠道运动模式,以实现消化和营养损失。肠道的生物化学和生物力学之间的复杂相互作用构成了胃肠道系统的基本生理学。这些过程的失调会导致神经病学,免疫和肠道疾病不同。然而,由于生物组织与常规电子组件之间的机械不匹配,研究具有多种运动模式的一系列柔软,弹性,长和扭曲器官的复杂物理间调节一直是一个长期的挑战。该项目旨在通过开发一种柔软的多感觉生物电子设备来填补这一关键的技术差距,该设备在连续肠道运动过程中保持其生物化学和生物力学感测功能,从而提供强大而亲密的组织耦合。结果将是刺激我们对肠道生理学的基本理解,血清素动力学与肠运动性的相互作用以及新的生物电动工具的基本了解,以诊断和治疗消化和神经系统疾病。该项目旨在扩大年轻人参与工程学,特别强调代表性不足的少数民族和女学生。这将通过一项全面的教育计划,包括各种引人入胜的活动,包括有关电子和机器人技术的K-12学生和教师夏季计划,本科研究计划以及以设计为中心的课程以及科学和艺术节示范。这项职业旨在将不常规的电子材料和设备设计,创新的小型方法和计算方法集成到不常规的电子材料和设备设计,并将其整合起来。多感觉软生物电子学能够简单地监测肠道生物化学释放和物理运动,并最大程度地扰动生物系统。拟议的多感觉生物电动设备的目的是解码肠道血清素和运动相互作用,将整合:(1)用于高分辨率肠道肠道蛋白检测和映射的新的软生物传感器阵列(2)(2)一种新的柔软的物理传感器,以录制了较高的动作,并在较高的动作范围内录制了适用于型号的动机,并在进行型号的动机(3),该动机适用于(3),并(3),(3新生产的生物数据分析的计算方法。凭借多模式的灵敏度和机械柔软度,所得的生物电机设备将提供强大而亲密的组织耦合,同时在保持自然状态下连续肠道运动期间保持其高性能的生化和生物力学感应功能。从长远来看,此处描述的新的生物电动工具不仅将产生电气和生物传感的新知识,而且还提供了研究肠道生理学和肠道生理学和微生物群 - 脑沟通的新见解,有可能导致新的工具诊断和治疗各种神经系统疾病,以反映出NSF的构建范围。更广泛的影响审查标准。

项目成果

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