能夠殺死病原體的3D打印微噴陣列，塑造一個沒有抗生素的未來

導(dǎo)讀：2021年7月1日，南極熊獲悉來自伊利諾伊大學(xué)的研究人員3D打印了一個微型微等離子體裝置，可用于開發(fā)更有效的中耳感染的抗生素治療。他們設(shè)計的新型微等離子體噴射陣列可以安裝在標(biāo)準的臨床耳鏡上，用于發(fā)射帶電粒子和反應(yīng)性分子，使耳部病原體失去作用。

△3D打印微等離子體噴射陣列裝置的剖面圖。圖片來自《biofilms and microbiomes journal》

與可能導(dǎo)致細菌形成防御性生物膜的常規(guī)抗生素治療相比，研究人員說他們的方法提供了"更強的滲透力"，甚至可以作為未來無藥療法的基礎(chǔ)。

伊利諾伊大學(xué)的伊萬-拉謝夫教授HelenNguyen說："生物膜非常密集，使抗生素難以滲透，""我們認為，微等離子體通過擾亂細菌細胞膜來破壞生物膜。到目前為止，我們只有間接的測量結(jié)果支持我們的想法，但我們將在未來研究它。如果我們能夠破壞病毒生物膜的結(jié)構(gòu)，我們可以增加抗生素的滲透。"

一個沒有抗生素的未來？

中耳炎也被稱為"中耳乳突炎"或"OM"，是一種在幼兒中普遍存在的疾病，它可能導(dǎo)致他們遭受暫時性的聽力損失，影響他們的早期語言能力。雖然抗生素經(jīng)常被用來治療OM，但研究表明它們在70%以上的病例中是無效的，因此這種感染已成為小兒麻痹的主要原因。

慢性病例往往與病人中耳內(nèi)的細菌生物膜的建立有關(guān)，因為它們的聚集性使它們成為反復(fù)感染的種子。為了打擊這些劇毒的生物膜，研究人員近年來嘗試了基于微等離子體的方法，這些方法作為破壞狹小空間中的病原體的一種手段顯示出特別的前景。

在2018年的一個這樣的測試案例中，科學(xué)家們能夠極大地降低10個月大的生物膜中病毒的生存能力，然而他們的方法還沒有被應(yīng)用于OM相關(guān)的病原體。為了糾正這一點，伊利諾伊州的團隊使用3D打印技術(shù)創(chuàng)建了一套新穎的微等離子體噴射陣列裝置，然后通過部署它們來治療各種加載OM的耳膜模型來測試其能力。

△耳朵內(nèi)的微等離子體集成耳鏡輸送平臺的圖示，研究人員的3D打印設(shè)備可以應(yīng)用于臨床耳鏡的頂部。圖片來自《biofilms and microbiomes journal》

一個正在運行的微等離子體噴射陣列

科學(xué)家們所研發(fā)微等離子體設(shè)備由透明塑料絲材3D打印而成，每一個都有一個核心框架，其中集成了氣體輸入、微通道擴散器和電極陣列。在使用過程中，在這些微通道陣列中產(chǎn)生和封閉的等離子體，理論上可以在氦氣的支持下噴射到病人的耳朵里，以減少耳部病原體的存活率。

為了將他們的設(shè)備付諸實踐，研究人員用它們來治療被切除的大鼠耳膜和耳室，其中裝滿了容納常見銅綠假單胞菌的生物膜。初步結(jié)果顯示，經(jīng)過20分鐘的連續(xù)治療，研究小組的噴射陣列裝置已經(jīng)成功清除了構(gòu)成測試模型 "中耳 "區(qū)域的大約90%的病原體。

然而，考慮到大鼠的耳膜比人類的耳膜厚30%，科學(xué)家們對一個以多孔結(jié)構(gòu)為特征的、帶有細菌的人工膜進行了進一步測試。這一次，研究小組在處理后發(fā)現(xiàn)沒有完整的細菌細胞，他們也承認，用于將血漿輸送到他們的測試模型的氣體可能破壞了生物膜的結(jié)構(gòu)。

科學(xué)家們說，他們的設(shè)備需要進行體內(nèi)測試來驗證他們的結(jié)果，因此他們現(xiàn)在正在開發(fā)一個更適合人類的耳塞形模型，它應(yīng)該允許更長的暴露時間，同時他們還打算評估它在治療其他感染方面的功效，如流感嗜血桿菌和卡他拉菌。

研究團隊在他們的論文中總結(jié)道："下一步我們將采用3D生物打印的耳膜或可植入的耳膜支架來檢查其結(jié)構(gòu)和特性，包括組織的滲透性，體內(nèi)臨床前模型，如OM誘導(dǎo)的栗鼠模型，也將有助于評估微漿對自然生長的中耳生物膜的功效"。

3D打印的聽覺潛力

隨著抗菌3D打印材料的數(shù)量不斷增加，該技術(shù)正被越來越多地用于治療耳部疾病和開發(fā)增強型助聽器設(shè)備。就在去年，倫敦大學(xué)學(xué)院（UCL）的科學(xué)家們3D打印了抗菌助聽器，證明能夠在長期使用過程中防止耳朵感染。

哈佛大學(xué)Wyss研究所的研究人員更進一步，他們的3D打印 "PhonoGraft "再生人耳膜獲得了美國食品和藥物管理局的批準。設(shè)計成模仿真實人類耳道的外觀，該鼓膜可用于幫助治療耳部創(chuàng)傷患者，因為它能夠通過生成新細胞來 "自我愈合"。

在更多的商業(yè)層面，3D打印機制造商RapidShape早在2018年就發(fā)布了其Studio-LineHA20 II、HA30 II和HA40 II系統(tǒng)。這些機器是專門為3D打印助聽器而設(shè)計的，既快速又簡單，同時提供的相關(guān)部件既具有生物相容性又具有專業(yè)標(biāo)準。

研究人員的研究結(jié)果在其題為“Inactivation andsensitization of Pseudomonas aeruginosa by microplasma jet array for treatingotitis media"的論文中作了詳細說明。

相關(guān)論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41522-021-00219-2

這項研究的共同作者是Peter P. Sun,Jungeun Won, Gabrielle Choo-Kang, Shouyan Li, Wenyuan Chen, Guillermo L.Monroy, Eric J. Chaney, Stephen A. Boppart, J. Gary Eden and Thanh H. Nguyen。