你未必知道「菌膜」是甚麼，但它們卻是無處不在。「菌膜」會在我們體內形成，最令人熟悉的是依附在牙齒上的牙菌膜，它們會導致蛀牙，但這只是菌膜在人體內進行破壞的開始，它們會在我們攝取的大部分食物之外部和內部表面積聚，因而引發感染。根據美國國家衛生研究院（National Institutes of Health）早期研究，菌膜與人類80%的感染有關，當它們在醫療植入物表面積聚時，便會為人帶來麻煩，因為醫療植入物缺乏免疫系統，給予細菌繁殖的良機。
嶄新方法應對人體深處菌膜
當一群微生物粘附在物件表面上，慢慢就會形成菌膜。菌膜形成後，這群微生物會被稱為細胞外聚合物（EPS）的基質包圍，這些聚合物主要是以微生物分泌的多醣、蛋白質、核酸和脂質組成，形成一個能保護微生物的母體，影響常規治療效果，令它難以清除。
由香港中文大學（中大）工程學院張立教授領導的研究團隊，率先使用磁性水凝膠微機械人。這些微型機器通過磁力，可於體內複雜及迂迴曲折的環境走動，意味着它們可以精準地到達菌膜積聚的位置，並通過物理破壞及釋放抗生素來殲滅菌膜。研究團隊的工作成果最近在具領先地位的科學期刊 《Advanced Intelligent Systems》上刊登，標誌著這些微機械人能於具挑戰性的環境中有效殺滅菌膜。
「當菌膜在植入物滋生並引發感染時，便會難以清除。」張教授說。「EPS基質為菌膜提供了物理屏障保護細菌免受環境，如水流或抗生素的威脅。要有效去除菌膜，必須進行機械性破壞。而醫療植入物通常位於人體內難以觸及的位置，因此有必要開發新的治療方法來殲滅菌膜，針對性地處理菌膜相關的感染。」
配以釋放藥物的微型機械人
微機械人會首先施加物理力量破壞菌膜，然後再釋放化學劑殺死細菌。微機械人以熱敏磁性水凝膠製成，具有微小的水凝膠空間儲存化學劑。根據最近的研究，過氧化氫（俗稱雙氧水）可被輸送到受感染區域，並在微機械人受熱下而釋放出來。巧妙的是，微機械人的磁性組件由氧化鐵納米顆粒組成，可充當催化劑令過氧化氫轉化為有效對抗菌膜的形態。微機械人能做到精確的定位，以減少抗菌劑的使用量。而控制微機械人運動的磁力有兩種：一種是產生均勻的旋轉磁場，另一種則是旋轉時拖動微機械人的梯度場，其中前者可以遙控微機械人在管道内進退自如，後者可以加強對特定區域的清除效果。
「科學界對以熱敏水凝膠用作為控制藥物釋放的載體有廣泛研究。」張教授說。「我們的團隊則將鐵顆粒摻入熱敏水凝膠中，令它對外加動態磁場產生反應，然後再把它用作對抗菌膜的微機械人。」
最近發表的研究證實新技術非常有效。該研究涉及大腸桿菌與蠟樣芽孢桿菌的菌膜，這兩種細菌都可令人患上嚴重疾病。研究團隊於管狀物內測試微機械人，以模擬菌膜經常在人體內出現的物理環境，例如醫療植入物。結果顯示，微機械人在5分鐘內去除了菌膜，並破壞了當中99.3%的細菌。張教授表示，團隊下一步的工作是研究於人體內使用系統的可行性。
「我們將改善抗菌膜微機械人在特定位置應用的表現，現時正與醫療合作夥伴討論合適的應用情況。同時，我們計劃於今年使用經改進的微型機械人作動物實驗，我們還正在開發供人體使用的磁力驅動系統，將來系統會與臨床影像診斷技術相容，以應用於患者。」
除了消除菌膜，微機械人最終或有其他用途，例如將標靶藥物輸送至人體內難以到達的部位。張教授補充說，微機械人還可於工業應用，如在複雜的機械內部進行針對性清潔。
