用于根除生物膜的小型机器人

关于联邦政府资助研究的声明

本发明是在由美国国立卫生研究院(nih)授予的授权号r01de025848下受政府支持完成的。政府对本发明享有一定权利。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年11月28日提交的美国临时专利号62/772,306的优先权，该文献通过引用并入本文。

背景技术：

生物膜是被附着在表面的细胞外聚合物基质包围的细菌细胞的结构化群落。生物膜可在生物表面(诸如牙齿和粘膜表面)以及非生物表面(诸如植入的医疗装置和导管)上形成，从而导致患者中的感染和医疗并发症。生物膜也可存在于自然环境和工业环境中。例如，生物膜可污染人造水生系统，诸如冷却塔、水池和水疗中心。在工业环境中，生物膜可在管道内部形成，从而可导致堵塞和腐蚀。这种生物膜的细胞外基质可含有聚合物，诸如胞外多糖(eps)，它是一种复杂且机械稳定的支架，可提供凝聚力/粘附力并充当抗菌药物的屏障，保护其中的细菌。

某些对抗生物膜的技术在很大程度上是无效的，因为它们无法根除和去除生物膜，从而导致再感染。诸如抗生素和免疫反应之类的抗菌方法可能无法解决生物膜复杂的结构特性和生物学特性，并且如果不去除生物膜碎片和细菌，则生物膜将保持快速重建自身的能力。

因此，需要一种技术来有效地基本根除生物膜基质内的细菌，降解生物膜基质，并且去除任何产生的生物膜碎片。

技术实现要素：

本文公开了使用小型机器人技术根除生物膜基质内的细菌的系统和方法。

所公开的主题提供的技术用于：施用h2o2和氧化铁纳米颗粒的悬浮液，以基本根除生物膜基质内的细菌并降解生物膜基质；致动氧化铁纳米颗粒，以组装成适用于去除由生物膜降解引起的生物膜碎片的生物混合机器人；以及移动生物混合机器人，以从表面上去除生物膜碎片。在一些实施方式中，悬浮液可以用每毫升50％甘油500微克至5000微克的氧化铁纳米颗粒来配制。在一些实施方式中，悬浮液可以用酶来配制以降解生物膜基质，所述酶包括非水溶性葡聚糖酶、葡聚糖酶、脱氧核糖核酸酶(dnase)、蛋白酶、脂肪酶、淀粉葡糖苷酶、葡萄糖氧化酶或它们的组合。例如，悬浮液可以用1％h2o2和1.75u/8.75u非水溶性葡聚糖酶/葡聚糖酶来配制，以基本根除细菌并降解生物膜基质。

在一些实施方式中，永磁体或电磁体阵列可以将来自永磁体的磁场施加到生物膜上，以致动氧化铁纳米颗粒组装成生物混合机器人。在一些实施方式中，磁场可以使生物混合机器人移动，以从表面上去除生物膜碎片(例如，从生物表面和非生物表面(包括牙齿、假牙、植入物、窗户或其他玻璃、可形成生物膜的塑料表面)去除生物膜)。

在一些实施方式中，所公开的主题可以包括将氧化铁纳米颗粒嵌入水凝胶中形成软机器人结构，以执行特定任务而从封闭表面上去除生物膜。在一些实施方式中，水凝胶可以是刺激响应性聚合物。软机器人结构可以是按体积计3％重量的琼脂和按体积计10％重量的氧化铁纳米颗粒。例如，可以将可沿磁场方向重新排列的软机器人结构沿其短轴线磁化。

在所公开的主题的一些实施方式中，软机器人结构可以是叶片形的，以从封闭表面的壁上刮下生物膜并移除生物膜碎片。在一些实施方式中，软机器人结构可以是双螺旋形，以钻穿生物膜阻塞部并从壁上清除生物膜。

可以应用所公开的技术以根除生物膜基质内的细菌，降解基质，并且去除生物表面(诸如牙齿和粘膜表面)以及非生物表面(诸如植入的医疗装置和导管，或外科器械(包括内窥镜、套管/插管))上的生物膜碎片，从而防止患者中的感染和医学并发症。此外，可以应用所公开的技术以根除生物膜基质内的细菌，降解基质，并且去除自然环境和工业环境(诸如人造水生系统(例如，冷却塔、水池、水族馆和水疗中心)，玻璃/塑料表面(包括窗户和食品包装)，以及管道、输水管线和其他封闭表面的内部)中的生物膜碎片。

被并入并构成本公开的一部分的附图例示了本发明的优选实施方式，并且用于解释本发明的原理。

附图说明

图1是例示氧化铁纳米颗粒的双重催化磁性功能的示意图。

图2是例示将氧化铁纳米颗粒的悬浮液施加在生物膜上的示意图。

图3描述了氧化铁纳米颗粒的与剂量相关的根除活性。

图4描述了酶(非水溶性葡聚糖酶和葡聚糖酶)的与剂量相关的细胞外基质降解。

图5是例示用于氧化铁纳米颗粒的两个平台的示意图。

图6a-6e描述了去除和未去除生物膜碎片的情况下的细菌再生长。

图7例示了被磁性元件操纵的氧化铁纳米颗粒。

图8是例示通过磁控制氧化铁纳米颗粒的运动去除大面积生物膜碎片的示意图。

图9例示了氧化铁纳米颗粒在明确限定的路径上的具有微米级几何精度的受控运动。

图10例示了叶片形软机器人结构和双螺旋形软机器人结构的模型表示。

图11是例示叶片形软机器人结构清理圆柱形管的壁上的生物膜的示意图。

图12是例示双螺旋形软机器人结构钻穿圆柱形管中的生物膜堵塞部的示意图。

图13a-c描述了使用氧化铁纳米颗粒进行牙髓消毒和处理牙管中的生物膜的实施例。

贯穿各附图，除非另有说明，否则相同的附图标记和字符用于表示所示实施方式的相同特征、元件、部件或部分。此外，尽管现在将参考附图详细描述本发明，但是结合示例性的实施方式来完成本发明。

具体实施方式

提出了用于使用氧化铁纳米颗粒根除生物膜的技术，以基本根除生物膜基质中的细菌，降解生物膜基质，并且去除因生物膜根除引起的生物膜碎片。将氧化铁纳米颗粒以悬浮液或软机器人结构的形式施用于覆盖有生物膜的表面。一旦施用了氧化铁纳米颗粒，氧化铁纳米颗粒的催化功能就基本根除了细菌并降解了生物膜基质。激活氧化铁纳米颗粒的磁性功能以致动氧化铁纳米颗粒进行组装，从而适用于去除生物膜碎片。

图1是例示根据所公开的主题的实施方式的氧化铁纳米颗粒的双重催化磁性功能的示意图。氧化铁纳米颗粒101可以催化过氧化氢(h2o2)以基本根除细菌102并降解生物膜基质103。生物膜基质降解是破坏结构支架同时促进渗透和细菌根除的关键。当生物膜基质降解时，细菌根除作用会大大增强。当生物膜基质充分分解时会被降解，以实现细菌根除。当生物膜基质内的细菌被杀死时，细菌被基本根除。可以磁激活氧化铁纳米颗粒104，以致动氧化铁纳米颗粒组装成生物混合机器人，并且移动生物混合机器人以从表面上去除生物膜碎片。

图2是例示根据所公开的主题的实施方式的氧化铁纳米颗粒的悬浮液施加在生物膜上的示意图。氧化铁纳米颗粒催化过氧化氢(h2o2)生成自由基。这些自由基可以基本根除嵌入在生物膜细胞外基质中的细菌。自由基也可以降解生物膜细胞外基质。这种降解发生的速度比自由基基本根除细菌的速度慢。

图3描述了根据所公开的主题的实施方式的氧化铁纳米颗粒的与剂量相关的根除活性。浓度为每毫升50％甘油500微克至5000微克的氧化铁纳米颗粒实现了根除细菌的最大功效。

图4描述了根据所公开的主题的实施方式的酶(非水溶性葡聚糖酶和葡聚糖酶)的与剂量相关的细胞外基质降解。尽管氧化铁纳米颗粒的催化功能使生物膜基质降解的速度比其基本根除细菌的速度慢，但降解速率可以利用酶(包括非水溶性葡聚糖酶和葡聚糖酶)来提高。1.75u非水溶性葡聚糖酶和8.75u葡聚糖酶的组合实现了细胞外基质降解的最大功效。

图5是例示根据所公开的主题的实施方式的用于氧化铁纳米颗粒的两个示例平台的示意图。这些平台使氧化铁纳米颗粒能够去除生物膜碎片。在第一平台中，将氧化铁纳米颗粒501悬浮并施用于覆盖有生物膜的表面。一旦氧化铁纳米颗粒执行其催化功能，就使用磁性元件致动氧化铁纳米颗粒组装成生物混合机器人502。在一些实施方式中，磁性元件可以是施加磁场的永磁体或电磁体阵列。在第二平台中，将氧化铁纳米颗粒嵌入水凝胶中以形成软机器人结构503。在一些实施方式中，这些结构可以是叶片形504或双螺旋形505。结构的形状可以实现根除受限和难以接近的位置的生物膜。

图6a-6e描述了根据所公开的主题的实施方式的在去除和未去除生物膜碎片的情况下的细菌再生长。在图6a中，未用氧化铁纳米颗粒处理覆盖有生物膜的表面。在图6b中，用氧化铁纳米颗粒处理了覆盖有生物膜的表面，但是没有从表面上去除生物膜碎片。图6a和6b均显示了生物膜再生长，表明如果未去除生物膜碎片，则生物膜会保持快速重建自身的能力。在图6c中，用氧化铁纳米颗粒处理了覆盖有生物膜的表面，并且经由磁致动从表面上去除了生物膜碎片。在图6c中未观察到生物膜再生长。图6d和6e分别示出了图6a-6c中的表面上的生物质和活细胞的量。图6a和6b中的表面都显示了高水平的生物质和活细胞，而图6c中的表面显示未检测到生物质或活细胞。

图7例示了根据所公开的主题的实施方式的被磁性元件操纵的氧化铁纳米颗粒。一旦氧化铁纳米颗粒701基本根除细菌并降解生物膜基质，就激活磁性元件702。磁性元件致动氧化铁纳米颗粒组装成生物混合机器人703并控制生物混合机器人703的运动。在一些实施方式中，生物混合机器人可以形成杆状结构704，所述杆状结构可以通过穿透生物膜碎片并将生物膜碎片合并到生物混合机器人中来去除生物膜碎片。

图8是例示根据所公开的主题的实施方式的通过生物混合机器人的磁控制运动来去除大面积生物膜碎片的示意图。生物混合机器人可以在覆盖有生物膜的表面的广阔区域内移动。在一些实施方式中，生物混合机器人可以遵循限定的轨迹，该轨迹开始于覆盖有生物膜的表面的中心并且以同心的方式逐渐向外移动。遵循该轨迹，生物混合机器人可以从受污染的表面上清除掉生物膜碎片。该轨迹还可以持续地将单个的氧化铁纳米颗粒拉入上部结构中，从而增加其尺寸和密度。

图9例示了根据所公开的主题的实施方式的生物混合机器人在明确限定的路径上的具有微米级几何精度的受控运动。生物混合机器人901可以以微米级几何精度903在明确限定的路径902上移动。例如，可以去除生物膜而不损坏附近的宿主组织，或者可以在特定的病理部位采样生物膜。在一些实施方式中，可以在覆盖有生物膜的表面附近浓缩氧化铁纳米颗粒的悬浮液，以实现局部根除生物膜。

图10例示了根据所公开的主题的实施方式的叶片形软机器人结构和双螺旋形软机器人结构的模型表示。将氧化铁纳米颗粒嵌入水凝胶中以形成软机器人结构。这些结构的形状可以确定成执行特定的任务，诸如根除受限和难以接近的位置的生物膜。水凝胶可使h2o2透过，因此氧化铁纳米颗粒可以如上所述发挥其催化功能。在一些实施方式中，水凝胶可以是刺激响应性聚合物。例如，水凝胶可以是热可逆的凝胶化琼脂聚合物，或另一种刺激响应性聚合物，包括ph和温度响应性聚合物。在一些实施方式中，软机器人结构可以为每体积琼脂3重量％和每体积氧化铁纳米颗粒10重量％。在一些实施方式中，这两种结构都可以沿着它们的短轴线被磁化以与磁场方向再对准。

图11是例示根据所公开的主题的实施方式的叶片形软机器人结构清理圆柱形管的壁上的生物膜的示意图。叶片形状可以具有带鳍状结构的中心芯部。叶片形结构1101可以来自磁性元件的施加的磁转矩旋转，并且可以通过利用磁性元件施加力而以一定速度向前移动。该旋转可以产生局部的流体剪切应力并擦洗管1102的弯曲表面。随着叶片形结构向前移动，其扫过弯曲表面，从而刮擦并移除生物膜碎片。被移除的生物膜碎片形成堆1103，可以通过用水冲洗而将所述堆从管中去除。

图12是例示根据所公开的主题的实施方式的双螺旋形软机器人结构钻穿圆柱形管中的生物膜堵塞部的示意图。双螺旋形状可以具有围绕中心轴线缠绕的两个螺旋。双螺旋形结构1201的手性几何形状使其能够以来自磁性元件的施加的磁转矩向前移动，从而以开瓶器状的方式推动该结构1202。由于该动作，双螺旋形结构可以钻穿生物膜阻塞部1203并清除壁上的生物膜。随着该结构向前移动，它会形成堆，可以通过用水冲洗而将所述堆从管中去除。

图13a-c描述了根据所公开的主题的实施方式的使用生物混合机器人处理牙管中的生物膜的实施例。特别地，图13a和13b描述了牙管的截面图。在图13a中，可以将氧化铁纳米颗粒施用于峡部(两个根管之间宽度为大约200微米至600微米的狭窄廊道)，并且致动所述氧化铁纳米颗粒组装成生物混合机器人，所述生物混合机器人然后可以从一端移动到另一端，横穿峡部的整个范围。如图13b所示，由氧化铁纳米颗粒制成的双螺旋形软机器人结构也可以在牙管范围内被磁控制(图13b)。图13a示出了牙管的纵向截面。在t＝0s时，生物混合机器人处于根管之一中。在t＝11.5s时，生物混合机器人穿过峡部。在t＝14.5s时，生物混合机器人到达另一个根管。图13b示出了牙管的横向截面。在t＝0s时，双螺旋形软机器人处于牙管的顶部。然后，生物混合机器人沿牙管向下移动直至在t＝17.7s时到达牙管底部。图13c描述了如在处理之前和之后所示通过生物混合机器人根除峡部中的生物膜；对生物膜进行荧光标记以便可视化。

更一般而言，所公开的技术可以应用于根除生物膜基质内的细菌，降解基质，并且去除生物表面(诸如牙齿和粘膜表面)以及非生物表面(诸如植入的医疗装置和导管，或手术器械(包括内窥镜、套管/插管))上的生物膜碎片，从而防止患者中的感染和医学并发症。此外，可以应用所公开的技术以根除生物膜基质内的细菌，降解基质，并且去除自然环境和工业环境(诸如人造水生系统(例如，冷却塔、水池、水族馆和水疗中心)，玻璃/塑料表面(包括窗户和食品包装)，以及管道、输水管线和其他封闭表面的内部)中的生物膜碎片。

前述内容仅例示了所公开的主题的原理。鉴于本文的教导，对所描述的实施方式的各种修改和变更对于本领域技术人员将是显而易见的。因此，应当理解，尽管本文未明确描述但可体现所公开的主题的原理并且因此在其精神和范围内的许多技术将能够被本领域技术人员设计出。