最近，美國賓夕法尼亞大學一個由工程師、牙醫(yī)和生物學家組成的研究團隊研發(fā)出了一種微型清潔機器人，它能夠巧妙地摧毀對細菌起到保護作用的生物膜。這項研究是由賓夕法尼亞大學牙醫(yī)學院的Hyun（Michel）Koo和工程與應用技術學院的Edward Steager共同負責的，研究結果發(fā)表在《機器人科學》上。
Koo聲稱：“這項研究是多學科協(xié)同努力的結果。我們借助了微生物學家、臨床科學家以及工程師的經驗，盡可能地設計出了最先進的微生物消除系統(tǒng)。這對于其他遭遇抗藥生物膜困擾的生物醫(yī)學領域來說是非常重要的。處理牙齒上的生物膜，無論是消費者還是專業(yè)人士都需要付出大量的精力。我們希望能夠改善治療方案并且減少治療的難度。”
生物膜能夠出現(xiàn)在生物體或者物體的表面，比如說牙齒、關節(jié)、水管、植入物以及導尿管等。無論是什么形式的生物膜，它們難以清除的特點都眾所周知，而且黏性基質能夠保護其中的細菌免受抗菌劑的清理。
在之前的研究中，Koo和同事們已經探索了多種方法，并且在分解生物膜方面取得了一定成績。其中一種策略就是使用含有氧化鐵的納米粒子作為催化劑，激活過氧化氫釋放自由基來殺滅細菌并摧毀生物膜。
牙醫(yī)學院的研究團隊意外發(fā)現(xiàn)工程技術學院的團隊在研發(fā)一種機器人平臺，他們使用了類似的氧化鐵納米粒子作為微機器人的構建模塊。工程師們借助磁場操控機器人的運動，從而實現(xiàn)了機器人操控的自由性。
最終，兩個研究團隊合并成為一個跨學院的研究團隊共同設計、優(yōu)化并測試了兩種類型的機器人系統(tǒng)，他們稱之為接觸式除菌機器人（簡稱CARs），它能夠降解和去除生物膜。第一種機器人系統(tǒng)是將氧化鐵納米顆粒懸浮在溶液中，然后通過磁鐵引導，以類似于耕犁的方式去除表面的生物膜。第二種機器人系統(tǒng)需要將納米顆粒注入到三維形式的凝膠模具中。它們能夠用來瞄準和摧毀那些堵塞封閉管道的生物膜。
兩種類型的機器人系統(tǒng)都能有效地分解基質和殺死細菌，并以很高的精確度清除基質碎片。無論是生長在玻璃表面還是封閉玻璃管上的生物膜，這種機器人都通過了測試。之后，研究人員嘗試了一種更具臨床意義的應用：去除人類牙齒上那些難以觸及部位的生物膜。這些機器人不僅能夠降解和清除牙齒表面的細菌生物膜，還能夠清除牙齒最難以接近的部分之一牙縫中的細菌生物膜。
“現(xiàn)有的生物膜處理方法是無效的，因為它們無法同時做到降解保護基質、殺死嵌入其中的細菌，并從物理上清除生物降解產物。這些機器人可以同時做這三件事，而且非常有效，不會留下任何生物膜的痕跡。”Koo聲稱，通過清除生物膜殘留物，讓生物膜重新生長的幾率大大降低。
研究人員設想將這些機器人精確地引導到它們需要去的任何地方來去除生物膜，比如說導管內部、水管內部以及難以觸及的牙齒表面。Steager說：“我們通常都把機器人視作一種自動系統(tǒng)，它根據(jù)主動收集的信息采取行動。這種情況下，機器人的運動可以根據(jù)微型攝像機或其他醫(yī)學成像技術收集的生物膜圖像來進行。”（邱成剛）
