DOI: https://doi.org/10.1039/d3cs00564j
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38324331
تاريخ النشر: 2024-01-01
المؤلف: Carmen C. Mayorga‐Martinez وآخرون
الموضوع الرئيسي: الروبوتات الدقيقة والنانوية
نظرة عامة
يوفر هذا القسم نظرة عامة على الأغشية الحيوية البكتيرية، وهي مجتمعات من البكتيريا محاطة بمواد بوليمرية خارج خلوية (EPS) تلتصق بأسطح مختلفة، بما في ذلك الأجهزة الطبية. تعتبر هذه الأغشية الحيوية مساهمًا كبيرًا في العدوى المزمنة بسبب مقاومتها العالية للعلاج، حيث تحمي مصفوفة EPS البكتيريا من البيئات العدائية والعوامل المضادة للبكتيريا. تسلط المراجعة الضوء على إمكانيات الروبوتات على مقاييس النانو والميكرو والمليمتر للعلاج الفعال والقضاء على الأغشية الحيوية، مع التأكيد على قدرتها على التنقل في المساحات الضيقة وأداء المهام المستهدفة. تشمل النقاط الرئيسية للتعلم هيكل الأغشية الحيوية، استراتيجيات العلاج باستخدام الروبوتات متعددة المقاييس، والتحديات المرتبطة بإزالة الأغشية الحيوية من الأجهزة الطبية.
تشير الاستنتاجات إلى تقدم كبير في استخدام الروبوتات المليمترية/الميكروية/النانوية لعلاج الأغشية الحيوية، مما يعرض تقنيات التصنيع المبتكرة والمواد الذكية التي تعزز فعاليتها المضادة للبكتيريا. تصنف المراجعة الروبوتات بناءً على طرق الدفع الخاصة بها وتقيّم بشكل نقدي مزاياها وعيوبها. بينما أظهرت الروبوتات الأولية فعالية محدودة، أدت التقدمات إلى معدلات قضاء تتجاوز 99% مع الروبوتات متعددة الوظائف التي تستخدم مواد توليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) وأنظمة توصيل المضادات الحيوية. ومع ذلك، لا تزال هناك مخاوف بشأن القابلية للتحلل الحيوي، والسمية، والإنتاج على نطاق واسع لهذه الروبوتات. يجب أن تضمن التصاميم المستقبلية القدرة على المناورة الدقيقة والتوافق مع تقنيات التصوير لتعزيز المراقبة والفعالية في التطبيقات الزمنية الحقيقية، مع معالجة تحديات تصور الروبوتات الدقيقة/النانوية في الجسم الحي.
مقدمة
تناقش مقدمة الورقة التقدمات في الروبوتات متعددة المقاييس، التي يتم دفعها عن بُعد بواسطة مصادر خارجية متنوعة، بما في ذلك المجالات المغناطيسية، والضوء، وموجات فوق الصوتية، بالإضافة إلى الوقود الكيميائي. تحظى هذه الروبوتات باهتمام كبير في التطبيقات الطبية بسبب قدراتها على التنقل في المساحات الضيقة، وتوصيل الحمولة، والتلاعب بالميكروبات. غالبًا ما تُبنى من مواد ذكية تكون متوافقة حيويًا، وقابلة للتحلل الحيوي، وقابلة للتوسع، مما يسمح بالتحكم الدقيق في حركتها والقدرة على التجمع وإعادة التشكيل لإنجاز مهام معقدة.
تهدف الورقة بشكل خاص إلى تلخيص مساهمات الروبوتات متعددة المقاييس في علاج الأغشية الحيوية البكتيرية. توضح هيكل وتكوين الأغشية الحيوية، مصنفة الروبوتات بناءً على آليات إزالة الأغشية الحيوية. تمهد المقدمة الطريق لاستكشاف مفصل لمختلف أنواع الروبوتات المستخدمة في هذا السياق، مع تسليط الضوء على أهمية وظيفتها في معالجة التحديات المتعلقة بالأغشية الحيوية.
نقاش
يستكشف قسم النقاش في الورقة البحثية أوضاع الدفع المختلفة للروبوتات الدقيقة/النانوية لعلاج الأغشية الحيوية، مع التركيز على موادها وآلياتها. يصنف هذه الروبوتات إلى أربعة أوضاع دفع: التحفيزي، البيولوجي، المدفوع بالضوء، والمدفوع بالمغناطيس. تستخدم المحركات الدقيقة/النانوية التحفيزية وقودًا مثل بيروكسيد الهيدروجين (H₂O₂) واليوريا، مع محفزات مثل البلاتين (Pt) وثاني أكسيد المنغنيز (MnO₂) لتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية (ROS) والاضطراب الميكانيكي، مما يحقق تخفيضات كبيرة في قابلية البكتيريا للحياة. تستفيد المحركات الدقيقة البيولوجية، بما في ذلك البكتيريا المغناطيسية والحيوانات المنوية، من حركتها الطبيعية لتعطيل الأغشية الحيوية، على الرغم من ظهور مخاوف بشأن التوافق الحيوي. تستفيد الروبوتات المدفوعة بالضوء من التفاعلات المستحثة بالضوء للدفع وتوليد ROS، مما يثبت فعاليتها ضد الأغشية الحيوية ولكنها محدودة بسمية الضوء فوق البنفسجي. تُظهر الروبوتات المدفوعة بالمغناطيس، التي تعمل بواسطة مجالات مغناطيسية خارجية، قدرة عالية على المناورة وكفاءة في إزالة الأغشية الحيوية، خاصة في المناطق التي يصعب الوصول إليها.
يخلص القسم إلى أنه بينما تظهر مختلف الروبوتات الدقيقة/النانوية وعدًا في القضاء على الأغشية الحيوية، لا تزال هناك تحديات تتعلق بقابليتها للتحلل الحيوي والتوافق الحيوي، خاصة بالنسبة للمواد الاصطناعية. يجب أن تركز الأبحاث المستقبلية على دمج المواد الذكية ذات الخصائص المضادة للبكتيريا وقدرات الحركة لتعزيز فعالية استراتيجيات علاج الأغشية الحيوية، خاصة في التطبيقات السريرية التي تشمل الأجهزة الطبية المزروعة.
DOI: https://doi.org/10.1039/d3cs00564j
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/38324331
Publication Date: 2024-01-01
Author(s): Carmen C. Mayorga‐Martinez et al.
Primary Topic: Micro and Nano Robotics
Overview
The section provides an overview of bacterial biofilms, which are communities of bacteria encased in extracellular polymeric substances (EPS) that adhere to various surfaces, including medical devices. These biofilms are significant contributors to chronic infections due to their high resistance to treatment, as the EPS matrix protects the bacteria from hostile environments and antibacterial agents. The review highlights the potential of robots at nano, micro, and millimeter scales for the effective treatment and eradication of biofilms, emphasizing their ability to navigate confined spaces and perform targeted tasks. Key learning points include biofilm structure, treatment strategies using multiscale robots, and the challenges associated with biofilm removal from medical devices.
The conclusions indicate significant advancements in the use of milli/micro/nanorobots for biofilm treatment, showcasing innovative manufacturing techniques and smart materials that enhance their antibacterial efficacy. The review categorizes robots based on their propulsion methods and critically assesses their advantages and disadvantages. While initial robots demonstrated limited efficacy, advancements have led to eradication rates exceeding 99% with multifunctional robots utilizing reactive oxygen species (ROS)-generating materials and antibiotic delivery systems. However, concerns regarding the biodegradability, toxicity, and large-scale production of these robots remain. Future designs must ensure precise maneuverability and compatibility with imaging technologies to enhance monitoring and efficacy in real-time applications, addressing the challenges of visualizing micro/nanorobots in vivo.
Introduction
The introduction of the paper discusses the advancements in multiscale robots, which are remotely propelled by various external sources, including magnetic, light, and ultrasound fields, as well as chemical fuels. These robots are gaining significant attention in medical applications due to their capabilities to navigate confined spaces, deliver cargo, and manipulate microorganisms. They are often constructed from smart materials that are biocompatible, biodegradable, and scalable, allowing for precise control over their movement and the ability to swarm and reconfigure to accomplish complex tasks.
The paper specifically aims to summarize the contributions of multiscale robots in the treatment of bacterial biofilms. It outlines the structure and formation of biofilms, categorizing the robots based on their mechanisms for biofilm removal. The introduction sets the stage for a detailed exploration of the various types of robots employed in this context, highlighting the importance of their functionality in addressing biofilm-related challenges.
Discussion
The discussion section of the research paper explores various propulsion modes of micro/nanorobots for biofilm treatment, emphasizing their materials and mechanisms. It categorizes these robots into four propulsion modes: catalytic, biological, light-driven, and magnetically driven. Catalytic micro/nanomotors utilize fuels like hydrogen peroxide (H₂O₂) and urea, with catalysts such as platinum (Pt) and manganese dioxide (MnO₂) to generate reactive oxygen species (ROS) and mechanical disruption, achieving significant reductions in bacterial viability. Biological micromotors, including magnetotactic bacteria and sperm cells, leverage their natural motility for biofilm disruption, although concerns about biocompatibility arise. Light-driven robots harness light-induced reactions for propulsion and ROS generation, proving effective against biofilms but limited by the toxicity of ultraviolet light. Magnetically driven robots, powered by external magnetic fields, demonstrate high maneuverability and efficiency in biofilm removal, particularly in hard-to-reach areas.
The section concludes that while various micro/nanorobots show promise in biofilm eradication, challenges remain regarding their biodegradability and biocompatibility, particularly for synthetic materials. Future research should focus on integrating smart materials with antibacterial properties and motion capabilities to enhance the efficacy of biofilm treatment strategies, especially in clinical applications involving indwelling medical devices.