Ученые ИТМО совместно с коллегами из Челябинского государственного университета и Южного федерального университета предложили малоинвазивный и безопасный подход для очистки уретральных катетеров. В его основе — магнитные мягкие роботы, которые удаляют биопленки с бактериями почти со 100%-ой эффективностью. Причем управлять ими можно дистанционно — с помощью магнитного поля. Использование мягких роботов позволит предотвращать развитие инфекций и избежать частой болезненной процедуры смены катетеров. Результаты исследования опубликованы в журнале ACS Nano.
Люди при проблемах с мочеиспусканием (например, пожилые люди с недержанием), а также пациенты на стационарном лечении после травм вынуждены носить уретральные катетеры — они отводят жидкость из мочевого пузыря. Находясь в теле человека, катетеры через какое-то время зарастают биопленками из разных бактерий, которые увеличивают риски развития уретрита и других заболеваний мочевыводящих путей. Чтобы этого не произошло, катетеры нужно заменять как минимум раз в неделю. Однако это довольно болезненная процедура, которая доставляет дискомфорт пациенту. Если инфекция все же развивается, пациенты вынуждены принимать антибиотики, из-за чего может развиваться антибиотикорезистентность.
Ученые из Петербурга, Челябинска и Ростова-на-Дону разработали мягкого магнитного робота, который способен механически очищать поверхность катетера от биопленок, предотвращая распространение бактерий. Он представляет собой композит, состоящий из магнитных наночастиц и эластомера (высокоэластичный полимер). Ученые протестировали семь типов роботов — самый эффективный из них оказался в форме октограммы (восьмиконечной звезды). Благодаря своей сложной форме он лучше справляется со своей задачей.
Работает это так: робота помещают внутрь изделия, которое находится в магнитной установке. Под действием переменного магнитного поля робот начинает вращаться и передвигаться по катетеру, удаляя биопленку с его поверхности.
«Действенность робота мы проверили в экспериментах in vitro: выращивали на катетерах биопленки с бактериями в бо́льших концентрациях, чем встречаются в реальной жизни. Для этого мы использовали два вида бактерий: грамположительные (Pseudomonas aeruginosa) и грамотрицательные (Staphylococcus aureus). Примерно за минуту робот почти со 100%-ой эффективностью уничтожил трехдневную культуру бактерий. Также мы оценивали выживаемость бактерий после очистки катетера. В среднем нам удалось добиться около 50–80% смертности бактерий для всех видов роботов», – рассказали авторы разработки, инженер химико-биологический кластера ИТМО Даниил Кладько и выпускница ИТМО Полина Бабурова.
Результаты исследования в перспективе позволят увеличить время ношения катетера и снизить риск появления инфекций. Авторы разработки предполагают, что для очистки катетера робота будет достаточно использовать примерно раз в неделю. Следующий шаг ученых — усовершенствовать лабораторную магнитную установку и провести эксперименты на животных. Кроме того, ученые планируют адаптировать роботов для очистки и других видов катетеризации: венозной, желудка (при гастростомии), интубации трахеи.
Проект поддержан Российским научным фондом и программой «Приоритет 2030».
Статья: Polina Baburova, Daniil Kladko, Alina Lokteva, Anna Pozhitkova, Viktoriya Rumyantceva, Valeriya Rumyantceva, Ilya Pankov, Sergey Taskaev, and Vladimir Vinogradov. Magnetic Soft Robot for Minimally Invasive Urethral Catheter Biofilm Eradication (ACS Nano, 2023).
На фото: экземпляры магнитных мягких роботов. Источник: Дмитрий Григорьев, ITMO.NEWS