Жидкотелый робот для точного уничтожения инфекций, связанных с имплантатами
Международная исследовательская группа под руководством Китайского университета Гонконга (CUHK) совершила прорыв в области медицинских микророботов, создав первого в мире жидкотелого магнитного робота для борьбы с биоплёнками.
Новая разработка обладает уникальными вязкоупругими свойствами для адаптации к различным средам и тройным синергетическим механизмом борьбы с биоплёнками. Исследование опубликовано в Science Advances.
Команду возглавлял профессор Чжан Ли из CUHK в партнёрстве с Наньянским технологическим университетом (Сингапур) и Институтом интеллектуальных систем Общества Макса Планка (Германия).
Проблема инфекций, вызванных биоплёнками
ВОЗ объявила устойчивость к противомикробным препаратам (AMR) одной из 10 главных угроз общественному здоровью, вызывающей почти 5 миллионов смертей в год. AMR связана не только с появлением устойчивых штаммов бактерий, но и с образованием биоплёнок — барьеров, где бактерии прилипают к поверхностям и выделяют вещества.
Медицинские имплантаты внутри тела, лишённые иммунной защиты, особенно уязвимы для таких инфекций. Традиционная антибиотикотерапия плохо проникает через барьер биоплёнки, а хирургическое удаление заражённых имплантатов сопряжено с рисками.
Ранее команда разрабатывала магнитных микророботов для борьбы с биоплёнками, но они плохо адаптировались к сложным поверхностям, таким как стенты и сетки, оставляя остаточную биоплёнку. В ответ на эти проблемы был создан первый в мире магнитный жидкотелый робот.
Две новые особенности для борьбы с биоплёнками
Робот создан из динамического сшитого магнитного гидрогеля с уникальной вязкоупругостью. Профессор Чжан пояснил: «Точная модуляция внешних магнитных полей позволяет роботу переключаться между режимами поведения. В упругом режиме он вращается, катится и преодолевает препятствия. В жидком режиме он деформируется в текучего робота, чтобы проникать в щели и уничтожать в них биоплёнку».
Робот также использует тройной синергетический механизм:
- Физическое разрушение биоплёнки магнитными силами через движение робота.
- Химическая деактивация бактерий с помощью высвобождаемых противомикробных агентов.
- Удаление обломков биоплёнки за счёт связывания робота с фрагментами, что предотвращает рецидив инфекции.
Результаты испытаний
Робот показал выдающиеся результаты в тестах на заражённых имплантатах:
- Биоплёнка на 3D-структурированной сетке для герниопластики была уменьшена на 84%.
- На металлическом жёлчном стенте было уничтожено 87% бактерий.
Команда также впервые применила двойную навигацию с помощью эндоскопии и рентгеновского излучения для точного управления роботом в жёлчных протоках свиньи через металлические стенты.
В модели на мышах с заражёнными стентами наблюдалось полное восстановление веса за 12 дней, а показатели воспаления снизились на 40% по сравнению с контрольной группой. «Традиционные миниатюрные роботы часто жертвуют либо доступностью, либо движущей силой. Эта технология достигает и того, и другого», — отметил профессор Чжан.
Перспективы
Команда сотрудничает с Медицинской школой Ли Конг Чиан Наньянского технологического университета для разработки усовершенствованных роботов, с планами перейти к испытаниям на крупных животных и подготовке к клиническим исследованиям на людях.
Соавтор исследования профессор Джозеф Сунг прокомментировал: «Инфекции жёлчных биоплёнок давно находятся в фокусе моих исследований. Когда затвердевшая биоплёнка полностью блокирует жёлчный проток пациента, обычная терапия часто бессильна. Этот жидкотелый робот предлагает новое решение. Мы стремимся интегрировать противомикробные агенты следующего поколения и подтвердить его эффективность в клинических условиях».