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港中大張立教授團(tuán)隊(duì)《Sci. Adv.》：液態(tài)機(jī)器人清除復(fù)雜表面細(xì)菌生物膜
2025-03-15  來(lái)源：高分子科技

  微生物感染是全球公共衛(wèi)生重大威脅，每年導(dǎo)致全球近500萬(wàn)人死亡，其中80%以上慢性感染與頑固性細(xì)菌生物膜相關(guān)。人體內(nèi)的醫(yī)療植入物表面缺乏免疫保護(hù)機(jī)制，易形成由細(xì)菌及其分泌的胞外基質(zhì)構(gòu)成的細(xì)菌生物膜，造成慢性菌膜感染。針對(duì)體內(nèi)菌膜感染難題，香港中文大學(xué)張立教授研究團(tuán)隊(duì)提出磁控微型機(jī)器人“機(jī)械力清除+化學(xué)消滅“機(jī)制（Sci. adv. abq8573; Adv. Mater. 2201888; Adv. Intell. Syst. 2300092）。在此前研究中，微型機(jī)器人可以在簡(jiǎn)單管道結(jié)構(gòu)內(nèi)清除菌膜，但受到尺度縮放效應(yīng)導(dǎo)致的”大驅(qū)動(dòng)力-小尺寸（可達(dá)性）“矛盾限制，在復(fù)雜表面上表現(xiàn)不佳，難以適應(yīng)醫(yī)療支架、網(wǎng)片等復(fù)雜醫(yī)療植入物表面形貌。


  團(tuán)隊(duì)在此前“史萊姆機(jī)器人“研究基礎(chǔ)上（Adv. Funct. Mater. 202112508）開(kāi)發(fā)了液態(tài)抗菌膜機(jī)器人。機(jī)器人本體采用動(dòng)態(tài)交聯(lián)磁性水凝膠材料，具有獨(dú)特的黏彈性響應(yīng)特性。通過(guò)精準(zhǔn)調(diào)控外部磁場(chǎng)，可激活不同響應(yīng)模式：彈性模式下，機(jī)器人能在體內(nèi)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、翻滾及越障動(dòng)作；液態(tài)模式下則像液體般變形，深入縫隙清除頑固菌膜。團(tuán)隊(duì)對(duì)這一黏彈性行為進(jìn)行建模，發(fā)現(xiàn)響應(yīng)由兩個(gè)特征時(shí)間尺度控制，分別是聚合物固有弛豫時(shí)間（由材料配方控制）和外磁場(chǎng)驅(qū)動(dòng)特征時(shí)間（由外加磁場(chǎng)參數(shù)控制）。通過(guò)調(diào)控這兩個(gè)特征驅(qū)動(dòng)時(shí)間，可以選擇性激活機(jī)器人的液體或彈性體響應(yīng)，以應(yīng)對(duì)不同體內(nèi)環(huán)境。


圖1：外加磁場(chǎng)激活液態(tài)抗菌膜機(jī)器人的可控黏彈性響應(yīng)。


  菌膜是由細(xì)菌和其分泌的胞外基質(zhì)組成的動(dòng)態(tài)生命結(jié)構(gòu)，其中胞外基質(zhì)具有多重保護(hù)作用，使得細(xì)菌難以被通常的抗生素療法消滅。該機(jī)器人采用三重協(xié)同抗菌膜機(jī)制：1）物理破壞：磁驅(qū)動(dòng)機(jī)械力破壞菌膜胞外基質(zhì)物理結(jié)構(gòu)；2）化學(xué)滅殺：搭載多種抗菌劑滅殺游離細(xì)菌；3）動(dòng)態(tài)吸附：吸附并移除菌膜碎片，防止感染復(fù)發(fā)。團(tuán)隊(duì)在體外試驗(yàn)環(huán)境中使用搭載抗生素和抗菌肽的機(jī)器人，研究了在不同磁場(chǎng)參數(shù)驅(qū)動(dòng)下對(duì)菌膜胞外基質(zhì)的清除和對(duì)游離細(xì)菌的滅殺效果。


圖2：三重協(xié)同抗菌膜機(jī)制。


  在兩種不同醫(yī)療器械菌膜實(shí)測(cè)中，液態(tài)機(jī)器人展現(xiàn)出優(yōu)秀性能：疝網(wǎng)補(bǔ)片具有三維編織孔隙結(jié)構(gòu)，經(jīng)機(jī)器人處理后菌膜減少84%；膽管支架金屬絲間隙在處理后87%細(xì)菌失活。對(duì)于機(jī)器人在體內(nèi)的成像和追蹤，團(tuán)隊(duì)采用內(nèi)窺鏡X光雙模導(dǎo)航技術(shù)，成功在豬膽管內(nèi)實(shí)現(xiàn)抗菌膜機(jī)器人穿越金屬支架的精準(zhǔn)操作。動(dòng)物實(shí)驗(yàn)顯示，腹腔植入感染支架的小鼠經(jīng)介入治療后12天體重完全恢復(fù)，炎癥反應(yīng)較對(duì)照組降低40%。


圖3：用于遙控液態(tài)機(jī)器人的體內(nèi)成像-驅(qū)動(dòng)機(jī)器人手術(shù)平臺(tái)。


  該工作近期以“Liquid-bodied antibiofilm robot with switchable viscoelastic response for biofilm eradication on complex surface topographies”為題發(fā)表在Science Advances上。論文第一作者是香港中文大學(xué)機(jī)械與自動(dòng)化工程學(xué)系博士生孫伯男，論文通訊作者是新加坡國(guó)立大學(xué)孫猛猛助理教授、新加坡南洋理工大學(xué)沈祖堯教授和香港中文大學(xué)張立教授。


  文章鏈接：http://dx.doi.org/10.1126/sciadv.adt8213

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