全球首款“抗菌膜”磁控液態機械人研制成功

近日，香港中文大學工程學院機械與自動化工程學系教授張立團隊同合作者，成功研制出全球首款“抗菌膜”磁控液態機械人。該機械人新功能主要包括以適應不同操作環境的“黏彈性”和三重協同殺菌機制，協助治療菌膜感染開拓全新方向。相關成果發表于《科學進展》（Science Advances）。

世界衛生組織在2019年將抗菌素耐藥性定為人類面臨的十大全球公共衛生威脅之一，每年在全球造成近500萬人死亡。抗菌素耐藥性除了與耐藥菌株的出現有關，也有很大原因是細菌粘附在物體表面結合分泌物質形成菌膜屏障引起。人體內的醫療植入物表面因缺乏免疫保護，極容易發生菌膜感染。傳統的抗生素治療難以穿透菌膜屏障，而以手術移除植入物則有機會造成二次創傷。

研究團隊前期研發了磁性微型機械人用于清除植入物菌膜感染，不過經研究發現，磁性水凝膠機械人雖可在簡單形狀管道內行動，卻難以適應復雜表面（如醫療支架、網片等），未能徹底清除菌膜。為此，團隊另闢蹊徑，研發出全球首創的“抗菌膜”磁控液態機械人。

機械人由動態交聯磁性水凝膠組成，具備獨特的黏彈性，有助清除人體內的菌膜。論文共同通訊作者張立表示，“透過精準調控外部磁場，可啟動機械人不同行為模式。例如，在彈性模式下，機械人可在病人體內進行旋轉、翻滾及跨越障礙等動作；在液態模式下，則可變成液態化的機械人，深入病人體內縫隙清除頑固菌膜。”

研究團隊為機械人設計三重協同殺菌機制，包含物理破壞菌膜：透過機械人運動傳導磁場，破壞菌膜的物理結構，削弱其保護作用；化學細菌滅活：機械人會針對浮游細菌釋放抗菌劑；智能吸附：最終機器人會菌膜碎片結合，防止重復感染。

液態機械人的在治療植入物感染的測試展現出卓越性能。治療疝氣的三維醫療貼片經機械人處理后，菌膜減少84%；膽道支架上的間隙，經機械人清除菌膜后，87%細菌失去活性。

張立說，團隊首創利用內窺鏡與X光的雙導航技術，成功操控機械人穿越豬膽管內的金屬支架。另外，團隊亦利用老鼠作對照實驗，發現植入物受感染的老鼠經機械人治療后，在12天內完全恢復體重，發炎反應更降低了40%。

“傳統微型機械人通常要在力量與靈活性間作取捨，此技術首次實現了兩者兼備的特性。”張立表示，團隊正與新加坡南洋理工大學李光前醫學院合作開發升級版的抗菌膜機械人，下一步團隊將進行大型動物模型測試，并計劃推行人體臨床試驗。

論文共同作者、新加坡南洋理工大學李光前醫學院教授沈祖堯表示，膽道菌膜感染一直是我重點研究課題。當患者膽道被固化感染組織完全堵塞時，常規療法難以根治。此次液態機械人為其研究提供新思路，期望未來可搭載新型抗菌劑，并于臨床環境驗證成效。

相關論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adt8213