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Magnetische Hydrogel-Mikromaschinen brechen Biofilme auf und setzen Antibiotika frei, um Biofilminfektionen im Zusammenhang mit medizinischen Geräten zu bekämpfen.
Biofilme sind schleimige Filme aus Mikroorganismen und anderen Substanzen, die auf einer Vielzahl von Oberflächen wachsen können, darunter medizinische Implantate, Zähne und sogar Steine in Flüssen und Bächen. Diese Biofilme werden durch eine Matrix aus extrazellulären Polymersubstanzen zusammengehalten, die den Mikroorganismen Schutz vor Umwelteinflüssen wie Antibiotika bieten.
„Biofilme können sehr schwer zu beseitigen sein und stellen erhebliche Herausforderungen dar, da sie sehr behandlungsresistent sein können, was sie zum Auslöser vieler chronischer Infektionen macht, insbesondere im Zusammenhang mit medizinischen Implantaten“, erklärte Mengmeng Sun, Forscher in der Abteilung für Maschinenbau und Medizin Automatisierungstechnik, Chinesische Universität Hongkong.
Zur Bekämpfung der Biofilmbildung in kleinen röhrenförmigen Strukturen eine aktuelle Studie veröffentlicht in Fortschrittliche intelligente Systeme Forscher haben magnetische Hydrogel-Mikromaschinen entwickelt, die zwei entscheidende Aufgaben erfüllen sollen: den Biofilm mechanisch aufzubrechen und die kontrollierte Freisetzung antibiotischer Wirkstoffe zu erreichen.
Doppelfunktions-Mikromaschinen helfen beim Aufbrechen von Biofilmen
Der Schlüssel zur Funktionsfähigkeit der Mikromaschinen liegt darin, dass sie aus einem einzigartigen Material bestehen, das als wärmeempfindliches magnetisches Hydrogel bezeichnet wird. Aufgrund ihrer magnetischen Eigenschaften können die Mikromaschinen mithilfe externer Magnetfelder präzise an den gewünschten Ort navigiert werden und können dann mithilfe spezifischer mechanischer Kräfte dabei helfen, den Biofilm manuell aufzubrechen und ihn so anfälliger für die Behandlung mit chemischen Mitteln zu machen.
„Einer der Vorteile der Mikromaschinen besteht darin, dass sie sich auf unterschiedliche Weise bewegen können. Sie können sich kreisförmig drehen oder hin und her wackeln“, sagte Sun, einer der Autoren der Studie. „Dadurch können sie auch auf Biofilme zugreifen, die sich an schwer zugänglichen Stellen befinden, etwa in engen Räumen oder Schläuchen, die in vielen medizinischen Geräten und Implantaten verwendet werden.“
Die Mikromaschinen wurden so konstruiert, dass sie winzige Hydrogel-Kompartimente enthalten, in denen antibakterielle Wirkstoffe gespeichert werden können. “Wenn [the] Dabei wird das Hydrogel über seine untere kritische Lösungstemperatur von etwa 32 °C erhitzt […] neigt dazu, den mitgeführten flüssigen Inhalt auszustoßen“, schrieb das Team in seiner Arbeit. „Außerdem sind Hydrogele weich, nass und biokompatibel, was sie zu großartigen Kandidaten für biomedizinische Anwendungen macht.“
Der magnetische Hydrogel-Verbundstoff verwendet Eisenoxid-Nanopartikel, die einem doppelten Zweck dienen. Nach der Vorbereitung wird das Hydrogel mit einer Wasserstoffperoxidlösung „gefüllt“, die bei diesen Tests als antibakterielles Mittel wirkt. An der gewünschten Stelle wird das Hydrogel erhitzt, wodurch die Wasserstoffperoxidlösung freigesetzt wird.
Die magnetischen Eisenoxid-Nanopartikel, die zur Bewegung der Mikromaschinen dienen, wirken auch als Nanokatalysatoren und katalysieren den Abbau der Peroxidmoleküle in hochreaktive Hydroxylradikale, die die Bakterien abtöten.
Durch die bedarfsgesteuerte Freisetzungsfähigkeit der Mikromaschinen entfällt die Notwendigkeit, große Mengen antibakterieller Wirkstoffe in die Biofilmstelle zu injizieren. „Diese kontrollierte und lokalisierte Freisetzung von Wasserstoffperoxid gewährleistet eine wirksame Behandlung und minimiert gleichzeitig die Auswirkungen auf umliegendes gesundes Gewebe“, fügte Sun hinzu.
Ein schnell wirkendes Desinfektionsmittel
Die Mikromaschinen wurden gegen Laborkulturen getestet E coli Und B. cereus Biofilme in gebogenen und Mikrozentrifugenröhrchen. „Um unsere neue Technologie zu testen, züchteten wir Biofilme im Labor und setzten sie den Mikromaschinen aus“, sagte Sun, „und stellten fest, dass sie in der Lage waren, die Biofilme zu zerstören und 99,3 % der ruhenden Zellen innerhalb von nur fünf Minuten nach der Behandlung abzutöten.“ ”
Die Forscher glauben, dass dieser Ansatz zu wirksameren Behandlungen für biofilmbedingte Infektionen führen könnte, insbesondere solche, die bei röhrenförmigen Implantaten auftreten. Diese Technologie birgt das Potenzial zur Verbesserung der Behandlungsergebnisse in verschiedenen Anwendungen, einschließlich biomedizinischer Implantate und anderer medizinischer Geräte.
Allerdings müssen noch Hürden überwunden werden, bevor die Mikromaschinen in Krankenhäusern oder klinischen Umgebungen eingesetzt werden können. „Ein großes Problem, über das wir nachdenken müssen, ist, wie die Trümmer des Biofilms geborgen werden können, nachdem sie durch die Mikromaschinen zerstört wurden?“ fügte Sun hinzu.
„Wir arbeiten weiterhin an der Entwicklung neuer Materialien und Systeme, um die Leistung der Mikromaschinen zu optimieren“, sagte Sun. „Sobald die Voraussetzungen gegeben sind, werden die Forscher mit weiteren Tierversuchen beginnen. Sie hoffen, dass es irgendwann zur Behandlung einer Vielzahl biofilmbedingter Infektionen eingesetzt werden kann.“
Referenz: MengMeng Sun, Tony KF Chan, Li Zhang et al., Magnetische Hydrogel-Mikromaschinen mit aktiver Freisetzung eines antibakteriellen Wirkstoffs zur Biofilm-Beseitigung. Advanced Intelligent Systems (2023), DOI: 10.1002/aisy.202300092
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