液体机器人能够精确根除植入物相关的生物膜感染

香港中文大学（中大）领导的一个国际研究小组开发了世界上第一个抗生物膜液体磁控机器人，在医疗微型机器人领域取得了突破

他们还引入了新功能，包括独特的粘弹性特性，使机器人能够适应不同的操作环境，以及三重协同抗菌膜机制，为对抗生物膜感染的创新解决方案铺平了道路。这项研究发表在《科学进展》上

该团队由香港中文大学工程学院机械与自动化工程系的张莉教授领导，与南洋理工大学（新加坡）和马克斯·普朗克智能系统研究所（德国）合作

世界卫生组织（世界卫生组织）宣布抗微生物耐药性（AMR）为2019年人类面临的十大全球公共卫生威胁之一，每年导致全球近500万人死亡。AMR不仅与耐药菌株的出现有关，而且还与生物膜屏障的形成有关，细菌粘附在表面并分泌物质

人体内缺乏免疫保护的医疗植入物极易受到生物膜感染。传统的抗生素治疗难以穿透生物膜屏障，而手术切除受感染的植入物则存在继发性创伤的风险

该团队之前开发了磁性微型机器人来对抗植入物上的生物膜感染。然而，研究表明，虽然磁控水凝胶机器人可以导航简单的管状结构，但它们很难适应复杂的表面，如医疗支架和网状物，留下残留的生物膜。鉴于这些挑战，该团队开发了世界上第一个生物膜磁控液体机器人

新开发的液体机器人使用了一种具有独特粘弹性的动态交联磁性水凝胶，有助于消除人体内的生物膜。张教授解释说：“通过精确调节外部磁场，机器人可以在粘弹性行为模式之间切换。在弹性模式下，它旋转、滚动并克服体内的障碍物。在液体模式下，机器人变形为流体机器人，渗透缝隙并根除其中的任何生物膜。”

机器人还具有三重协同抗菌膜机制，包括物理生物膜破坏、化学细菌失活和生物膜碎片去除。首先，通过机器人运动传递的磁力会机械地破坏生物膜结构，削弱其保护作用；然后，机器人释放的抗菌剂靶向浮游细菌细胞；最后，机器人与生物膜碎片形成结合，防止感染复发。

液体机器人在受感染的医疗植入物测试中表现异常。治疗后，3D结构疝网片上的生物膜减少了84%，而金属胆道支架上的87%的细菌被杀死

张教授补充道：“我们的团队率先使用内窥镜和X射线成像进行双模态导航，通过猪胆管中的金属支架实现了对机器人的精确控制。在带有感染支架的小鼠模型中，观察到在12天内完全重量恢复，与对照组相比，炎症指标降低了40%。传统的微型机器人往往在可及性和驱动力之间妥协。这项技术实现了这两者。”

该团队正在与南洋理工大学李光前医学院合作开发升级的抗菌膜机器人，并计划推进大型动物试验，为人类临床研究做准备

该研究的合著者、李光前医学院的Joseph Sung教授评论道：“胆道生物膜感染一直是我研究的重点。当固化的生物膜完全堵塞患者的胆管时，传统疗法往往会失败。这种液体机器人提供了一种新的解决方案。我们的目标是整合下一代抗菌药物，并在临床环境中验证其疗效。”