形状依赖的磁驱动微型机器人，通过机械和化学杀菌作用用于消除生物膜的医疗设备消毒

《Chemical Engineering Journal》：Shape-dependent magnetic-driven microrobots for biofilm-eradicating medical device disinfection through mechanical and chemical bactericidal action

磁铁矿微机器人形状调控与磁驱动杀菌机制研究。开发了立方、球、纺锤形Fe3O4 MRs，结合磁驱动机械杀菌和POD-like催化活性，有效穿透EPS屏障清除深层生物膜感染，有限元模拟揭示纺锤形因尖锐端结构优势在滚动运动和机械杀菌中表现更佳，在内窥镜、活检钳模型验证了协同杀菌效果。

　　

成员名单：程凯 | 傅同芳 | 孙珊 | 郑文豪 | 龙家明 | 马静鑫 | 周亚洲 | 赖飞丽 | 马丁·普梅拉 | 林恒伟

国际光响应分子与材料联合研究中心，江南大学化学与材料工程学院，中国无锡，214122

摘要

与生物医学设备相关的感染是临床治疗失败的主要原因，而医疗器械复杂结构中的持续性生物膜感染进一步加剧了这一问题。在这项研究中，我们开发了具有多种几何形状的磁铁矿微机器人（Fe₃O₄ MRs），包括立方体、球形和梭形，这些微机器人结合了磁驱动的机械杀菌性能和类似过氧化物酶（POD）的催化活性，从而有效清除细菌和生物膜感染。在旋转磁场（RMF）的作用下，这些微机器人能够在预定路径上实现精确可控的滚动运动。值得注意的是，在三种形状的微机器人中，梭形微机器人由于其延长的几何结构和富含Fe(II)的芬顿反应机制，表现出更强的穿透细胞外聚合物物质（EPS）基质的能力以及类似POD的催化杀菌效果。有限元模拟阐明了形状对杀菌机制和磁驱动运动的影响，表明具有尖锐尖端的梭形微机器人在滚动运动和机械灭菌方面具有明显优势。此外，通过使用内窥镜和活检钳作为医疗设备模型进行的实际验证证实，磁驱动的梭形微机器人能够有效清除生物膜，并对复杂且难以触及表面上的深层细菌产生协同杀菌效果。总体而言，这种基于形状特性的微机器人为消毒复杂的医疗设备提供了一个有前景的下一代平台。

引言

人类细菌感染主要由细菌生物膜引起[1]、[2]、[3]、[4]。细菌生物膜是一种由细菌在特定环境中形成的复杂多细胞聚集体，其特征是产生一种细胞外聚合物物质（EPS）基质，这种基质包裹着细菌细胞并附着在各种表面，包括医疗设备、牙齿表面和工业管道[5]、[6]、[7]。这种基质促进了细菌之间的协同作用，显著增强了它们的生存能力和对外部压力的抵抗力，从而给生物膜的清除带来了巨大挑战，尤其是在医疗设备的难以到达区域[8]、[9]、[10]。

内窥镜手术是目前用于诊断和治疗各种胃肠道疾病最广泛采用的手术方法之一[11]。随着手术复杂性和侵入性的增加，尤其是在对临床恶化耐受性较低的危重患者中，手术相关并发症的风险也在稳步上升[12]。值得注意的是，内窥镜内部的持续微生物污染以及使用受污染的活检钳进行黏膜穿刺可能导致患者之间的交叉感染[13]。因此，对柔性胃肠道内窥镜和可重复使用配件的重新处理受到了更加严格的审查，特别是考虑到由多重耐药细菌和通过消毒不彻底的器械传播的生物膜引起的感染暴发[14]。目前，大多数柔性内窥镜由于其材料成分对热敏感，无法进行蒸汽灭菌。因此，通常采用高水平消毒来灭活大多数活菌。然而，高水平消毒依赖于长时间接触化学消毒剂，这存在残留毒性和消毒不完全的风险。尽管替代灭菌方法如环氧乙烷和过氧化氢等离子体能够提供更快更可靠的灭菌效果，但它们成本较高，且无法有效去除内窥镜内部通道中的有机物和生物膜。这一限制显著增加了医疗设备感染的风险。

因此，迫切需要一种有效且安全的方法来应对生物膜及其相关感染的威胁，在清除过程中需要考虑三个关键方面：i) 医疗设备的复杂结构，如内窥镜，其狭窄弯曲的管腔和多个内部通道给彻底清洁和消毒带来了巨大挑战，常常导致细菌残留和生物膜形成。因此，抗菌剂必须能够精确可控地输送到这些难以到达的感染部位。ii) 由于EPS基质的保护作用，抗菌剂应具有较高的穿透能力，以穿过EPS屏障并杀死深埋的细菌细胞，从而防止浮游细菌的重新定植和生物膜的再次形成。iii) 鉴于单一模式的抗菌策略可能导致耐药性的出现，在一个平台上结合多种杀菌机制可以有效地规避这一风险。

作为一种新兴技术，微机器人（MRs）利用远程操控、狭小空间的可进入性以及群体增强能力，应用于医学、生物技术、微制造和环境修复等领域[15]、[16]、[17]。典型的微机器人驱动策略包括磁力[18]、光学[19]、声学[20]和电场[21]，以及化学和生物能源[22]、[23]、[24]。在现有策略中，磁力驱动因其能够实现长距离、灵巧、精确、快速和稳健的操控与控制而得到最广泛的应用[25]、[26]、[42]、[43]。此外，由磁场驱动的微机器人产生的机械剪切力和流体扰动可以物理破坏细菌生物膜，并增强抗菌剂与细菌之间的相互作用[27]、[28]。例如，张等人报道了一种液态机器人，能够通过磁机械力破坏生物膜基质，有效清除医疗网片和胆道支架上的生物膜[44]。同样，Koo等人开发了一种磁驱动的微胶囊组装体，能够在复杂的物理障碍中导航，实现靶向药物递送和口腔黏膜区域的生物膜高效清除[45]。然而，微机器人的几何形状与其磁驱动性能之间的关系，以及磁力如何穿透生物膜并诱导细菌死亡的具体机制仍不完全清楚。全面阐明这些机制对于优化微机器人的设计及其在生物医学领域的实际应用至关重要。

在此，我们开发了几何形状可调的磁铁矿（Fe₃O₄）微机器人，包括立方体、球形和梭形微机器人，这些微机器人具有类似过氧化物酶（POD）的催化活性和形状依赖的磁机械杀菌性能，可用于清除医疗设备模型上的细菌和生物膜感染（图1）。所制备的微机器人具有以下显著优点：i) 通过调节乙二胺（EDA）与三氯化铁（FeCl₃）的比例，制备了一系列具有不同几何形状的Fe₃O₄微机器人，为研究形状依赖的抗菌机制和指导未来微机器人材料的合理设计提供了平台。ii) 具有优异磁驱动能力的微机器人可以精确导航到狭窄管腔和其他难以到达的医疗设备区域的生物膜感染部位。iii> 微机器人能够有效穿透EPS基质并破坏成熟的细菌生物膜，从而提高其类似POD的催化效果和磁机械灭菌效果，针对深埋在生物膜中的细菌。这种综合抗菌方法降低了诱导细菌耐药性的风险，同时防止了浮游细菌的重新定植和生物膜的再次形成。iv> 有限元模拟阐明了形状依赖的抗菌机制和磁驱动运动行为，表明具有尖锐尖端的梭形微机器人在滚动运动和机械灭菌方面具有明显优势。总体而言，Fe₃O₄微机器人为清除医疗设备上的细菌和生物膜感染提供了一种有前景的策略，为未来开发磁驱动抗菌微机器人提供了宝贵指导。

材料与试剂

所有化学品均从商业渠道购买，无需进一步纯化。三氯化铁（FeCl₃）、乙二胺（EDA）和过氧化氢（H₂O₂（30 wt%）购自Aladdin Bio-Chem Technology Co. Ltd.（上海，中国）。3,3′,5,5′-四甲基联苯胺（TMB）和磷酸盐缓冲液（PB）购自Sigma-Aldrich（上海，中国）。Syto 9/碘化丙啶（PI）活/死细菌双染色试剂盒购自Maokang Biological Technology Co., Ltd.

微机器人的制备与表征

为了开发高性能的微机器人，并系统研究颗粒形态与杀菌效果之间的关联，我们采用水热法合成了系列微米级的Fe₃O₄颗粒，以FeCl₃作为前驱体，EDA作为形状调节剂。首先形成赤铁矿（Fe₂O₃颗粒，然后通过退火获得Fe₃O₄颗粒（详细信息见支持信息的实验部分）。

结论

总之，我们开发了几何形状可调的Fe₃O₄微机器人，包括立方体、球形和梭形，用于解决医疗设备上的生物膜相关感染问题。所有微机器人均表现出可控的磁驱动运动以及差异化的抗菌和抗生物膜效果，有限元模拟阐明了相应的结构-活性关系。其中，梭形微机器人表现出优异的滚动运动能力（在10 Hz频率下为27.7 μm s^?1

作者贡献声明

程凯：撰写原始稿件、可视化处理、方法学设计、数据管理。 傅同芳：撰写原始稿件、方法学设计、数据管理。 孙珊：撰写、审稿与编辑、可视化处理、验证、方法学设计。 郑文豪：验证、方法学设计。 龙家明：验证、方法学设计。 马静鑫：验证、方法学设计。 周亚洲：验证、方法学设计。 赖飞丽：撰写、审稿与编辑、监督、资金争取。 马丁·普梅拉：撰写、审稿与编辑。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文研究的财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了中国国家自然科学基金（编号52173126）、中国博士后科学基金（编号2024M751152）和捷克共和国资助机构（编号EXPRO: 25-15484X）的支持。M. P.还得到了欧洲区域发展基金（ERDF/ESF）TECHSCALE项目（编号CZ.02.01.01/00/22_008/0004587）的支持。K. C.得到了中国留学基金委员会（编号202406790047）的支持。

作者还感谢宁波材料技术与工程研究所的杨芳博士和马雅琪女士的支持。