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港中大張立教授團隊《Sci. Adv.》：液態(tài)機器人清除復(fù)雜表面細菌生物膜
2025-03-15  來源：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500萬人死亡，其中80%以上慢性感染與頑固性細菌生物膜相關(guān)。人體內(nèi)的醫(yī)療植入物表面缺乏免疫保護機制，易形成由細菌及其分泌的胞外基質(zhì)構(gòu)成的細菌生物膜，造成慢性菌膜感染。針對體內(nèi)菌膜感染難題，香港中文大學張立教授研究團隊提出磁控微型機器人“機械力清除+化學消滅“機制（Sci. adv. abq8573; Adv. Mater. 2201888; Adv. Intell. Syst. 2300092）。在此前研究中，微型機器人可以在簡單管道結(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)動力-小尺寸（可達性）“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。


  團隊在此前“史萊姆機器人“研究基礎(chǔ)上（Adv. Funct. Mater. 202112508）開發(fā)了液態(tài)抗菌膜機器人。機器人本體采用動態(tài)交聯(lián)磁性水凝膠材料，具有獨特的黏彈性響應(yīng)特性。通過精準調(diào)控外部磁場，可激活不同響應(yīng)模式：彈性模式下，機器人能在體內(nèi)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)、翻滾及越障動作；液態(tài)模式下則像液體般變形，深入縫隙清除頑固菌膜。團隊對這一黏彈性行為進行建模，發(fā)現(xiàn)響應(yīng)由兩個特征時間尺度控制，分別是聚合物固有弛豫時間（由材料配方控制）和外磁場驅(qū)動特征時間（由外加磁場參數(shù)控制）。通過調(diào)控這兩個特征驅(qū)動時間，可以選擇性激活機器人的液體或彈性體響應(yīng)，以應(yīng)對不同體內(nèi)環(huán)境。


圖1：外加磁場激活液態(tài)抗菌膜機器人的可控黏彈性響應(yīng)。


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


圖2：三重協(xié)同抗菌膜機制。


  在兩種不同醫(yī)療器械菌膜實測中，液態(tài)機器人展現(xiàn)出優(yōu)秀性能：疝網(wǎng)補片具有三維編織孔隙結(jié)構(gòu)，經(jīng)機器人處理后菌膜減少84%；膽管支架金屬絲間隙在處理后87%細菌失活。對于機器人在體內(nèi)的成像和追蹤，團隊采用內(nèi)窺鏡X光雙模導(dǎo)航技術(shù)，成功在豬膽管內(nèi)實現(xiàn)抗菌膜機器人穿越金屬支架的精準操作。動物實驗顯示，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)較對照組降低40%。


圖3：用于遙控液態(tài)機器人的體內(nèi)成像-驅(qū)動機器人手術(shù)平臺。


  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機械與自動化工程學系博士生孫伯男，論文通訊作者是新加坡國立大學孫猛猛助理教授、新加坡南洋理工大學沈祖堯教授和香港中文大學張立教授。


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

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（責任編輯：xu）
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