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Magnetically actuated microrobotic system for sequential treatment of biofilm

生物膜 假体周围 免疫系统 生物医学工程 下调和上调 纳米技术 组织重塑 获得性免疫系统 荧光寿命成像显微镜 化学 材料科学 模型系统 医学 体内 仿生材料 计算机科学 声穿孔
作者
Shunyao Li,Mei Ya,Kai Xu,Huaixuan Sheng,Yu-an Chen,Mingda Teng,Bohan Xu,Bingqian Jiang,Chengxuan Yu,Huizhu Li,Shiyun Zhao,Yi Wang,Xiao Zhang,Y ZHAO,Yueming Wang,Yan Wo,Z J Li,Siwen Shen,Yunxia Li,Min Tang
出处
期刊:Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America [National Academy of Sciences]
卷期号:123 (28): e2535216123-e2535216123 被引量:1
标识
DOI:10.1073/pnas.2535216123
摘要

Biofilm-associated infections present a critical therapeutic challenge due to antibiotic resistance and impaired tissue healing. Here, we present a microrobotic system (MZ-8) that integrates real-time human-steered navigation with autonomous, microenvironment-responsive therapy to actively eradicate biofilms and promote tissue regeneration. This microrobotic system features a spine-inspired structure for mechanical biofilm disruption, a pH-responsive ZIF-8 coating for immunomodulatory Zn 2+ release, and closed-loop actuation under second near-infrared fluorescence guidance. In a rat model of periprosthetic joint infection, MZ-8 achieved effective biofilm removal, induced a pro-regenerative immune response by polarizing macrophages toward the M2 phenotype, and significantly enhanced tissue regeneration. Transcriptomic analysis further revealed the activation of immunomodulatory pathways and upregulation of M2-associated genes, confirming the system’s sequential shift from eradication to repair. Moreover, validation in a rabbit model and human knee joint confirmed its operational feasibility under clinical imaging guidance and excellent biosafety. This work establishes that integrating physical eradication, biochemical immunomodulation, and interactive control within a single system is essential for advancing from infection clearance to functional tissue restoration. Thus, it provides a therapeutic paradigm for biofilm-associated diseases and lays a foundation for future intelligent, clinically adaptive anti-infective systems.
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