Vloeibare robot maakt een precieze uitroeiing van implantaatgerelateerde biofilminfecties mogelijk

Een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Chinese Universiteit van Hong Kong (CUHK) heeft een doorbraak bereikt op het gebied van medische microrobots door ’s werelds eerste antibiofilm vloeibare magnetisch gecontroleerde robot te ontwikkelen.

Ze hebben ook nieuwe functies geïntroduceerd, waaronder unieke visco -elastische eigenschappen waarmee de robot zich kan aanpassen aan diverse operationele omgevingen en een drievoudige synergetisch antibiofilm -mechanisme, waarbij de weg wordt vrijgemaakt voor innovatieve oplossingen om biofilminfecties te bestrijden. Het onderzoek is gepubliceerd in De wetenschap vordert.

Het team werd geleid door professor Zhang Li van de afdeling Mechanical and Automation Engineering in CuHK’s Faculteit Engineering – in samenwerking met Nanyang Technological University (Singapore) en het Max Planck Institute for Intelligent Systems (Duitsland).

De uitdaging van biofilminfecties

De Wereldgezondheidsorganisatie (WHO) verklaarde Antimicrobial Resistance (AMR) als een van de top 10 wereldwijde dreigingen voor de volksgezondheid waarmee de mensheid in 2019 wordt geconfronteerd, wat wereldwijd bijna 5 miljoen doden per jaar veroorzaakt. AMR is niet alleen gerelateerd aan de opkomst van resistente bacteriestammen, maar ook aanzienlijk vanwege de vorming van biofilmbarrières, waarbij bacteriën zich aan oppervlakken hechten en stoffen afscheiden.

Medische implantaten in het menselijk lichaam die geen immuunbescherming missen, zijn zeer gevoelig voor biofilminfecties. Traditionele antibioticatherapie worstelt om door te dringen van biofilmbarrières, terwijl chirurgische verwijdering van geïnfecteerde implantaten risico’s van secundair trauma met zich meebrengt.

Het team ontwikkelde eerder magnetische microrobots om biofilminfecties op implantaten te bestrijden. Uit onderzoek bleek echter dat hoewel magnetisch gecontroleerde hydrogelrobots eenvoudige buisvormige structuren konden navigeren, ze moeite hadden om zich aan te passen aan complexe oppervlakken zoals medische stents en mazen, waardoor resterende biofilm achterblijft. In het licht van deze uitdagingen ontwikkelde het team ’s werelds eerste antibiofilm magnetische door de vloeistof geregistreerde robot.

Twee nieuwe functies voor het bestrijden van biofilminfecties

De nieuw ontwikkelde vloeistofboded robot maakt gebruik van een dynamische verknoopte magnetische hydrogel met unieke visco-elasticiteit die helpt bij het elimineren van biofilms in het menselijk lichaam. Professor Zhang legde uit, “door externe externe magnetische velden te moduleren, kan de robot schakelen tussen visco -elastische gedragsmodi. In de elastische modus roteert het, rolt en overwint het obstakels in het lichaam. In de vloeibare modus vervormt hij in een vloeibare robot om crevices te infiltreren en een biofilm in hen te ontlasten.”

De robot heeft ook een drievoudige synergetisch antibiofilm -mechanisme, waaronder de verstoring van de fysische biofilm, chemische bacteriedeactivering en verwijdering van biofilmafval. Ten eerste verstoren magnetische krachten die door de beweging van de robot worden overgedragen mechanisch de biofilmstructuren en verzwakken hun beschermende effecten; Vervolgens de antimicrobiële middelen die worden vrijgegeven door de robotdoelplanktonische bacteriecellen; En ten slotte vormt de robot bindingen met biofilmfragmenten, die voorkomt dat infecties terugkeren.

De vloeistofboded robot presteerde uitzonderlijk in tests op geïnfecteerde medische implantaten. Biofilm op een 3D-gestructureerd hernia-gaas werd na behandeling met 84% verminderd, terwijl 87% van de bacteriën op een metalen galstent werden gedood.

Professor Zhang voegde eraan toe: “Ons team was een pionier met dual-modality navigatie met behulp van endoscopie en röntgenbeeldvorming, waardoor precieze controle van de robot mogelijk was via metaalstents in varkens galweg kanalen. In een muismodel met geïnfecteerde stents werd volledig gewichtsgebouw, met een 40% reductie in inflammatie-indicatoren.

Het team werkt samen met de Lee Kong Chian School of Medicine van Nanyang Technological University om verbeterde antibiofilm -robots te ontwikkelen, met plannen om door te gaan naar grote dierenproeven en zich voor te bereiden op klinische onderzoeken van mensen.

Professor Joseph Sung van Lee Kong Chian School of Medicine, een co-auteur van het onderzoek, merkte op: “Biliaire biofilminfecties zijn al lang een focus van mijn onderzoek. Wanneer gestolde biofilm het galwegen van een patiënt volledig blokkeert, falen deze vloeibare robot een nieuwe oplossing.