Международная исследовательская группа создала первого в мире антибиопленочного жидкотелого робота, управляемого магнитным полем. Это достижение открывает новые возможности в области медицинских микророботов для борьбы с инфекциями, связанными с биопленками.
Разработка велась под руководством Китайского университета Гонконга (CUHK) в сотрудничестве с Наньянским технологическим университетом (Сингапур) и Институтом интеллектуальных систем Макса Планка (Германия). Ведущим исследователем выступил профессор Чжан Ли с кафедры машиностроения и автоматизации Инженерного факультета CUHK. Соавтором исследования является профессор Джозеф Сунг из Медицинской школы Ли Конг Чиан Наньянского технологического университета.
Биопленочные инфекции, особенно на медицинских имплантатах, представляют серьезную угрозу для здоровья, усугубляемую устойчивостью к противомикробным препаратам (УПП). В 2019 году Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) назвала УПП одной из 10 главных глобальных угроз общественному здравоохранению, ежегодно уносящей почти 5 миллионов жизней. Бактерии, образуя биопленки, прикрепляются к поверхностям и выделяют защитные вещества, создавая барьер, непроницаемый для традиционных методов лечения, включая антибиотики. Медицинские имплантаты особенно уязвимы из-за отсутствия на их поверхности иммунной защиты. Хирургическое удаление инфицированных имплантатов сопряжено с риском вторичной травмы.
Ранее команда профессора Чжан Ли уже разрабатывала магнитных микророботов. Однако предыдущие версии, такие как магнитоуправляемые гидрогелевые роботы, испытывали трудности при работе со сложными поверхностями имплантатов, например, медицинскими стентами или сетками. Это приводило к тому, что часть биопленки оставалась нетронутой.
Новый робот создан из динамически сшитого магнитного гидрогеля, обладающего уникальными вязкоупругими свойствами. Точная модуляция внешних магнитных полей позволяет роботу переключаться между режимами поведения. Профессор Чжан Ли объясняет: «Под воздействием различных магнитных полей робот может переключаться между упругим режимом, позволяющим ему вращаться, катиться и преодолевать препятствия, и жидким режимом, позволяющим ему деформироваться в текучее состояние для проникновения в мельчайшие щели и уничтожения биопленки внутри них».
Эффективность робота обеспечивается тройным синергетическим механизмом борьбы с биопленкой. Во-первых, магнитные силы, передаваемые через движения робота, механически разрушают структуру биопленки. Во-вторых, высвобождаемые противомикробные агенты химически деактивируют планктонные (свободно плавающие) бактериальные клетки. В-третьих, робот образует связи с фрагментами разрушенной биопленки, удаляя их и предотвращая рецидив инфекции.
Лабораторные испытания продемонстрировали высокую эффективность робота на инфицированных медицинских имплантатах. При обработке трехмерной грыжевой сетки было достигнуто 84%-ное сокращение биопленки. На металлическом билиарном стенте было уничтожено 87% бактерий.
Используя передовые методы визуализации — эндоскопию и рентгенографию — исследователи успешно провели робота через сложные структуры, такие как желчные протоки свиньи, содержащие металлические стенты. «Навигация в таких сложных анатомических структурах, как желчные протоки, особенно через установленные металлические стенты, представляет собой серьезную проблему для традиционных микророботов», — отмечает профессор Чжан Ли. Новый робот преодолевает компромисс между доступностью труднодоступных участков и необходимой движущей силой.
Исследования на животных моделях также показали положительные результаты. У мышей с инфицированными стентами, обработанных с помощью робота, наблюдалось полное восстановление веса в течение 12 дней. Кроме того, маркеры воспаления у них снизились на 40% по сравнению с контрольной группой.
Команда планирует дальнейшее усовершенствование технологии и разработку обновленных версий антибиопленочных роботов. Следующими шагами станут испытания на крупных животных и подготовка к клиническим исследованиям на людях. Профессор Джозеф Сунг видит большой потенциал для лечения сложных клинических случаев. «Эта новая технология жидкотелых роботов имеет потенциал для лечения трудно поддающихся терапии билиарных биопленочных инфекций, например, при закупорке желчных протоков. Мы планируем интегрировать антимикробные агенты следующего поколения и подтвердить клиническую эффективность в будущем», — комментирует он.
Результаты данного исследования опубликованы в научном журнале Science Advances.
Разработка велась под руководством Китайского университета Гонконга (CUHK) в сотрудничестве с Наньянским технологическим университетом (Сингапур) и Институтом интеллектуальных систем Макса Планка (Германия). Ведущим исследователем выступил профессор Чжан Ли с кафедры машиностроения и автоматизации Инженерного факультета CUHK. Соавтором исследования является профессор Джозеф Сунг из Медицинской школы Ли Конг Чиан Наньянского технологического университета.
Биопленочные инфекции, особенно на медицинских имплантатах, представляют серьезную угрозу для здоровья, усугубляемую устойчивостью к противомикробным препаратам (УПП). В 2019 году Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ) назвала УПП одной из 10 главных глобальных угроз общественному здравоохранению, ежегодно уносящей почти 5 миллионов жизней. Бактерии, образуя биопленки, прикрепляются к поверхностям и выделяют защитные вещества, создавая барьер, непроницаемый для традиционных методов лечения, включая антибиотики. Медицинские имплантаты особенно уязвимы из-за отсутствия на их поверхности иммунной защиты. Хирургическое удаление инфицированных имплантатов сопряжено с риском вторичной травмы.
Ранее команда профессора Чжан Ли уже разрабатывала магнитных микророботов. Однако предыдущие версии, такие как магнитоуправляемые гидрогелевые роботы, испытывали трудности при работе со сложными поверхностями имплантатов, например, медицинскими стентами или сетками. Это приводило к тому, что часть биопленки оставалась нетронутой.
Новый робот создан из динамически сшитого магнитного гидрогеля, обладающего уникальными вязкоупругими свойствами. Точная модуляция внешних магнитных полей позволяет роботу переключаться между режимами поведения. Профессор Чжан Ли объясняет: «Под воздействием различных магнитных полей робот может переключаться между упругим режимом, позволяющим ему вращаться, катиться и преодолевать препятствия, и жидким режимом, позволяющим ему деформироваться в текучее состояние для проникновения в мельчайшие щели и уничтожения биопленки внутри них».
Эффективность робота обеспечивается тройным синергетическим механизмом борьбы с биопленкой. Во-первых, магнитные силы, передаваемые через движения робота, механически разрушают структуру биопленки. Во-вторых, высвобождаемые противомикробные агенты химически деактивируют планктонные (свободно плавающие) бактериальные клетки. В-третьих, робот образует связи с фрагментами разрушенной биопленки, удаляя их и предотвращая рецидив инфекции.
Лабораторные испытания продемонстрировали высокую эффективность робота на инфицированных медицинских имплантатах. При обработке трехмерной грыжевой сетки было достигнуто 84%-ное сокращение биопленки. На металлическом билиарном стенте было уничтожено 87% бактерий.
Используя передовые методы визуализации — эндоскопию и рентгенографию — исследователи успешно провели робота через сложные структуры, такие как желчные протоки свиньи, содержащие металлические стенты. «Навигация в таких сложных анатомических структурах, как желчные протоки, особенно через установленные металлические стенты, представляет собой серьезную проблему для традиционных микророботов», — отмечает профессор Чжан Ли. Новый робот преодолевает компромисс между доступностью труднодоступных участков и необходимой движущей силой.
Исследования на животных моделях также показали положительные результаты. У мышей с инфицированными стентами, обработанных с помощью робота, наблюдалось полное восстановление веса в течение 12 дней. Кроме того, маркеры воспаления у них снизились на 40% по сравнению с контрольной группой.
Команда планирует дальнейшее усовершенствование технологии и разработку обновленных версий антибиопленочных роботов. Следующими шагами станут испытания на крупных животных и подготовка к клиническим исследованиям на людях. Профессор Джозеф Сунг видит большой потенциал для лечения сложных клинических случаев. «Эта новая технология жидкотелых роботов имеет потенциал для лечения трудно поддающихся терапии билиарных биопленочных инфекций, например, при закупорке желчных протоков. Мы планируем интегрировать антимикробные агенты следующего поколения и подтвердить клиническую эффективность в будущем», — комментирует он.
Результаты данного исследования опубликованы в научном журнале Science Advances.