Когда в организм человека вживляется медицинский имплант, всегда есть риск, что на его поверхности поселятся вредоносные микроорганизмы. Со временем таких микробов становится все больше и они образуют биопленку — плотный слой микроорганизмов, который к тому же становится устойчивым к антибиотикам. В тяжелых случаях пациентам даже бывает нужна повторная операция, чтобы очистить имплант и продезинфицировать его.
В прошлом ученые уже не раз, и достаточно успешно, пытались разработать миниатюрных роботов для очистки поверхностей от биопленок. И все бы хорошо, но такие технологии могли работать только на ровной, гладкой поверхности, в то время как медицинские устройства, как правило, отличаются сложной формой с неровностями и иногда даже шероховатыми или пористыми участками. Для решения этой проблемы ученые из Китайского университета Гонконга (CUHK), Наньянского технологического университета в Сингапуре и Института интеллектуальных систем Макса Планка в Германии разработали уникальных жидкотелых роботов.
В основе такого устройства лежит гидрогель из поливинилового спирта, в который встроены магнитные частицы из сплава неодима, железа и бора, а также добавлены два антибактериальных вещества — левофлоксацин и индолицидин. Благодаря своей мягкой и гибкой структуре гидрогель прекрасно заполняет собой мельчайшие неровности на поверхности, которую он очищает. Он может легко проникнуть в места, недоступные для любых других методов очистки.
Процедура использования робота-капли малоинвазивна: устройство вводится к импланту, который нужно очистить от биопленки, через эндоскоп. Затем движения гаджета контролируются в реальном времени с помощью эндоскопической камеры и рентгеновской флюороскопии. Управление роботом осуществляется извне при помощи магнитного манипулятора. В зависимости от формы очищаемой поверхности устройство может как плавно скользить, так и перекатываться, эффективно обтекая мельчайшие неровности, например, шероховатости на хирургической сетке.
Процесс очистки состоит из трех ключевых этапов. В первую очередь робот механически разрушает биопленку, буквально соскребая ее с поверхности импланта. Параллельно он выделяет антибактериальные вещества, уничтожающие оставшиеся на поверхности импланта одиночные микроорганизмы. Наконец остатки биопленки прилипают к гелеобразному телу гаджета и выводятся из организма вместе с ним. После завершения процедуры робот извлекается через лапароскоп при помощи специального магнитного захвата.
Лабораторные испытания показали высокую эффективность новой технологии. В экспериментах на свиньях робот смог уменьшить биопленку на хирургической сетке, которую применяют для лечения грыжи, на 84% и уничтожить 87% бактерий на сосудистом стенте из металла. В дальнейшем ученые протестировали метод на мышах с инфицированными стентами. Результаты тоже оказались впечатляющими: через 12 дней после процедуры мыши полностью восстановили вес, а уровень воспалительных показателей снизился на 40% по сравнению с контрольной группой.
Разработанная учеными методика может стать настоящей революцией в медицине, позволив существенно снизить риск осложнений, связанных с бактериальным инфицированием имплантов. В будущем ученые планируют усовершенствовать технологию и провести клинические испытания на людях.
Ранее американские ученые придумали способ точечной доставки лекарств в организм пациента при помощи миниатюрных роботов.
