Oral drug delivery of proteins is limited by the degradative environment of the gastrointestinal tract and poor absorption, requiring parenteral administration of these drugs. Luminal mucus represents the initial steric and dynamic barrier to absorption. To overcome this barrier, we report the development of the RoboCap, an orally ingestible, robotic drug delivery capsule that locally clears the mucus layer, enhances luminal mixing, and topically deposits the drug payload in the small intestine to enhance drug absorption. RoboCap’s mucus-clearing and churning movements are facilitated by an internal motor and by surface features that interact with small intestinal plicae circulares, villi, and mucus. Vancomycin (1.4 kilodaltons of glycopeptide) and insulin (5.8 kilodaltons of peptide) delivery mediated by RoboCap resulted in enhanced bioavailability 20- to 40-fold greater in ex vivo and in vivo swine models when compared with standard oral delivery ( P < 0.05). Further, insulin delivery via the RoboCap resulted in therapeutic hypoglycemia, supporting its potential to facilitate oral delivery of drugs that are normally precluded by absorption limitations.

ABSTRACT Transient molecules in the gastrointestinal (GI) tract, such as nitric oxide and hydrogen sulfide, are key signals and mediators of inflammatory bowel disease (IBD). Because these molecules are extremely short-lived in the body, they are difficult to detect. To track these reactive molecules in the GI tract, we have developed a miniaturized device that integrates genetically-engineered probiotic biosensors with a custom-designed photodetector and readout chip. Leveraging the molecular specificity of living sensors, we genetically encoded bacteria to respond to IBD-associated molecules by luminescing. Low-power electronic readout circuits (nanowatt power) integrated into the device convert the light from just 1 μL of bacterial culture into a wireless signal. We demonstrate biosensor monitoring in the GI tract of small and large animal models and integration of all components into a sub-1.4 cm 3 ingestible form factor capable of supporting wireless communication. The wireless detection of short-lived, disease-associated molecules could support earlier diagnosis of disease than is currently possible, more accurate tracking of disease progression, and more timely communication between patient and their care team supporting remote personalized care.

Abstract Effective therapies for obesity either require invasive surgical or endoscopic interventions or high patient adherence, making it challenging for the nearly 42% of American adults who suffer from obesity to effectively manage their disease. Gastric mechanoreceptors sense distension of the stomach and perform volume-dependent vagal signaling to initiate the gastric phase and influence satiety. In this study, we developed a new luminal stimulation modality to specifically activate these gastric stretch receptors to elicit a vagal afferent response commensurate with mechanical distension. Here we developed the Vibrating Ingestible BioElectronic Stimulator (VIBES) pill - an ingestible device that performs luminal vibratory stimulation to activate mechanoreceptors and stroke mucosal receptors, which induces serotonin release as well as yields a hormonal metabolic response commensurate with a fed state. We evaluated VIBES across 108 meals in swine which consistently led to diminished food intake (∼40%, p< 0.0001) and minimized the weight gain rate (p< 0.03) as compared to untreated controls. Application of mechanoreceptor biology could transform our capacity to help patients suffering from nutritional disorders.

Ingestible electronics have the capacity to transform our ability to effectively diagnose and potentially treat a broad set of conditions. Current applications could be significantly enhanced by addressing poor electrode-tissue contact, lack of navigation, short dwell time, and limited battery life. Here we report the development of an ingestible, battery-free, and tissue-adhering robotic interface (IngRI) for non-invasive and chronic electrostimulation of the gut, which addresses challenges associated with contact, navigation, retention, and powering (C-N-R-P) faced by existing ingestibles. We show that near-field inductive coupling operating near 13.56 MHz was sufficient to power and modulate the IngRI to deliver therapeutically relevant electrostimulation, which can be further enhanced by a bio-inspired, hydrogel-enabled adhesive interface. In swine models, we demonstrated the electrical interaction of IngRI with the gastric mucosa by recording conductive signaling from the subcutaneous space. We further observed changes in plasma ghrelin levels, the "hunger hormone," while IngRI was activated in vivo, demonstrating its clinical potential in regulating appetite and treating other endocrine conditions. The results of this study suggest that concepts inspired by soft and wireless skin-interfacing electronic devices can be applied to ingestible electronics with potential clinical applications for evaluating and treating gastrointestinal conditions.

ABSTRACT Tablets and capsules are a cornerstone of medicine, but these solid dosage forms can be challenging to swallow for geriatric and pediatric patients. While liquid formulations are easier to ingest, these formulations lack the capacity to localize therapeutics and excipients nor act as controlled release devices. To bridge the advantages of solid and liquid dosage forms, here we describe drug formulations based on liquid in situ -forming and tough (LIFT) hydrogels. Drug-loaded LIFT hydrogels are formed directly in the stomach through the sequential ingestion of a crosslinker solution of calcium and dithiol crosslinkers, followed by the ingestion of a drug-containing polymer solution of alginate and 4-arm poly(ethylene glycol)-maleimide. We show that LIFT hydrogels are mechanically tough and able to robustly form in the presence of complex gastric fluid and in vivo in rat and porcine stomachs. LIFT hydrogels are retained within the porcine stomach for up to 24 h, biocompatible, and safely cleared. These hydrogels deliver a total dose comparable to unencapsulated drug but with delayed and lower maximum drug plasma concentrations, providing a method for controlled release that may mitigate drug toxicity. Co-encapsulation of lactase as a model biologic drug and calcium carbonate mitigated gastric-mediated deactivation of encapsulated enzyme in rat and porcine models. We also demonstrate the potential of these hydrogels to encapsulate and protect a model therapeutic bacterium, E. coli Nissle 1917, against acid. LIFT hydrogels present a biocompatible means of tough, double-network hydrogel formation in situ in the gastric cavity, and may expand medication access for patients with difficulty swallowing.