港中大張立教授團隊《Sci. Adv.》：液態機器人清除復雜表面細菌生物膜
微生物感染是全球公共衛生重大威脅，每年導致全球近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。人體內的醫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構成的細菌生物膜，造成慢性菌膜感染。針對體內菌膜感染難題，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構內清除菌膜，但受到尺度縮放效應導致的”大驅動力-小尺寸（可達性）“矛盾限制，在復雜表面上表現不佳，難以適應醫療支架、網片等復雜醫療植入物表面形貌。
團隊在此前“史萊姆機器人“研究基礎上（Adv. Funct. Mater. 202112508）開發了液態抗菌膜機器人。機器人本體采用動態交聯磁性水凝膠材料，具有獨特的黏彈性響應特性。通過精準調控外部磁場，可激活不同響應模式：彈性模式下，機器人能在體內實現旋轉、翻滾及越障動作；液態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，發現響應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）和外磁場驅動特征時間（由外加磁場參數控制）。通過調控這兩個特征驅動時間，可以選擇性激活機器人的液體或彈性體響應，以應對不同體內環境。
圖1：外加磁場激活液態抗菌膜機器人的可控黏彈性響應。
菌膜是由細菌和其分泌的胞外基質組成的動態生命結構，其中胞外基質具有多重保護作用，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同抗菌膜機制：1）物理破壞：磁驅動機械力破壞菌膜胞外基質物理結構；2）化學滅殺：搭載多種抗菌劑滅殺游離細菌；3）動態吸附：吸附并移除菌膜碎片，防止感染復發。團隊在體外試驗環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驅動下對菌膜胞外基質的清除和對游離細菌的滅殺效果。
圖2：三重協同抗菌膜機制。
在兩種不同醫療器械菌膜實測中，液態機器人展現出優秀性能：疝網補片具有三維編織孔隙結構，經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。對于機器人在體內的成像和追蹤，團隊采用內窺鏡X光雙模導航技術，成功在豬膽管內實現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介入治療后12天體重完全恢復，炎癥反應較對照組降低40%。
圖3：用于遙控液態機器人的體內成像-驅動機器人手術平臺。
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
