▶ ザ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ ペンシルバニアの特許一覧
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-01-28
(54)【発明の名称】バイオフィルム根絶のための小規模ロボット
(51)【国際特許分類】
A61K 9/10 20060101AFI20220121BHJP
A61P 31/04 20060101ALI20220121BHJP
A61K 33/40 20060101ALI20220121BHJP
A61K 47/02 20060101ALI20220121BHJP
A61K 47/10 20060101ALI20220121BHJP
A61K 38/43 20060101ALI20220121BHJP
A61K 38/44 20060101ALI20220121BHJP
A61K 38/47 20060101ALI20220121BHJP
A61K 38/46 20060101ALI20220121BHJP
A61K 38/48 20060101ALI20220121BHJP
A61K 47/36 20060101ALI20220121BHJP
A61K 9/00 20060101ALI20220121BHJP
A61P 1/02 20060101ALI20220121BHJP
A61C 17/00 20060101ALI20220121BHJP
【ＦＩ】
A61K9/10
A61P31/04
A61K33/40
A61K47/02
A61K47/10
A61K38/43
A61K38/44
A61K38/47
A61K38/46
A61K38/48
A61K47/36
A61K9/00
A61P1/02
A61C17/00 U ZNM
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021530103
(86)(22)【出願日】2019-11-25
(85)【翻訳文提出日】2021-05-25
(86)【国際出願番号】 US2019062941
(87)【国際公開番号】W WO2020112601
(87)【国際公開日】2020-06-04
(31)【優先権主張番号】62/772,306
(32)【優先日】2018-11-28
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】500429103
【氏名又は名称】ザ トラスティーズ オブ ザ ユニバーシティ オブ ペンシルバニア
(74)【代理人】
【識別番号】110000855
【氏名又は名称】特許業務法人浅村特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】クー、ヒュン
(72)【発明者】
【氏名】ステーベ、キャスリーン
(72)【発明者】
【氏名】クマール、ビジェイ
(72)【発明者】
【氏名】ハンター、エリザベス
(72)【発明者】
【氏名】スティーガー、エドワード
(72)【発明者】
【氏名】ブリンク、エヴァン
【テーマコード（参考）】
4C076
4C084
4C086
【Ｆターム（参考）】
4C076AA22
4C076AA99
4C076BB22
4C076CC16
4C076CC32
4C076DD29
4C076DD38
4C076EE30
4C076FF16
4C076FF68
4C084AA02
4C084AA03
4C084BA44
4C084DC02
4C084DC22
4C084DC23
4C084DC29
4C084MA02
4C084MA05
4C084MA57
4C084NA05
4C084NA10
4C084ZA671
4C084ZA672
4C084ZB351
4C084ZB352
4C086AA01
4C086AA02
4C086HA22
4C086MA02
4C086MA05
4C086MA23
4C086NA05
4C086NA10
4C086ZA67
4C086ZB35
(57)【要約】
バイオフィルム内の細菌を殺し、マトリックスを分解し、バイオフィルムの破片を除去することによってバイオフィルムを根絶するためのシステムおよび方法が本明細書に開示されている。開示された主題は、Ｈ２Ｏ２および酸化鉄ナノ粒子の懸濁液を投与してバイオフィルムマトリックス内の細菌を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解し、バイオフィルム破片の除去に適したバイオハイブリッドロボットに組み立てるために酸化鉄ナノ粒子を作動させ、アクセス可能なまたは囲まれた表面からバイオフィルムの破片を除去するためにバイオハイブリッドロボットを動かす技術を提供する。いくつかの実施形態では、開示される主題は、ヒドロゲル中に酸化鉄ナノ粒子を埋め込んでソフトロボット構造を形成すること、ソフトロボット構造をバイオフィルムで覆われた場所に投与すること、およびソフトロボット構造を磁化してバイオフィルムマトリックス内の細菌を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解し、囲まれた表面からバイオフィルムの破片を取り除くことを含むことができる。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
バイオフィルムマトリックス内の細菌を根絶し、マトリックス分解し、およびバイオフィルム除去する方法であって、下記を含む方法：Ｈ２Ｏ２および酸化鉄ナノ粒子の懸濁液を、その中に細菌を有するバイオフィルムに投与することであって、ここで、懸濁液は、細菌を実質的に根絶してバイオフィルムマトリックスを分解するように、適合されている；
細菌の根絶とマトリックスの分解によって引き起こされたバイオフィルムの破片の除去に適したバイオハイブリッドロボットに組み立てるために、酸化鉄ナノ粒子を作動させること；及び
バイオハイブリッドロボットを動かして、表面からバイオフィルムの破片を取り除くこと。
【請求項2】
懸濁液が、５０％グリセロール１ミリリットルあたり５００マイクログラムから５０００マイクログラムの酸化鉄ナノ粒子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
懸濁液が、バイオフィルムマトリックスを分解するように適合された少なくとも１つの酵素を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記少なくとも１つの酵素が、ムタナーゼ、デキストラナーゼ、ＤＮアーゼ、プロテアーゼ、リパーゼ、アミログルコシダード、グルコースオキシダーゼ、またはそれらの組み合わせを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項5】
懸濁液が１％Ｈ２Ｏ２および１．７５Ｕ／８．７５Ｕのムタナーゼ／デキストラナーゼを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項6】
前記作動することが、磁場を印加して酸化鉄ナノ粒子を作動させて、バイオハイブリッドロボットに組み立てることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記動かすことが、磁場を印加してバイオハイブリッドロボットを動かすことを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項8】
バイオフィルムマトリックス内の細菌を根絶し、マトリックス分解し、およびバイオフィルム除去するためのシステムであって、下記を含むシステム：細菌を実質的に根絶してバイオフィルムマトリックスを分解するように適合されたＨ２Ｏ２および酸化鉄ナノ粒子の懸濁液；及び
細菌の根絶とマトリックスの分解によって引き起こされたバイオフィルムの破片の除去に適したバイオハイブリッドロボットに組み立てるために、酸化鉄ナノ粒子を作動させるように適合された磁気要素。
【請求項9】
懸濁液が、５０％グリセロール１ミリリットルあたり２０００マイクログラムの酸化鉄ナノ粒子を含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項10】
懸濁液が、バイオフィルムマトリックスを分解するように適合された少なくとも１つの酵素を含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項11】
前記少なくとも１つの酵素が、ムタナーゼおよびデキストラナーゼを含む、請求項１０に記載のシステム。
【請求項12】
懸濁液が１％Ｈ２Ｏ２および１．７５Ｕ／８．７５Ｕのムタナーゼ／デキストラナーゼを含む、請求項９に記載のシステム。
【請求項13】
前記磁気要素が、磁場をバイオフィルムに印加して酸化鉄ナノ粒子を作動させてバイオハイブリッドロボットに組み立てるように適合された、永久磁石または電磁石のアレイのうちの少なくとも１つを含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項14】
永久磁石が、バイオフィルムマトリックスからバイオフィルム破片を除去するように適合されたバイオハイブリッドロボットを動かす、請求項１３に記載のシステム。
【請求項15】
バイオフィルムマトリックス内の細菌を根絶し、マトリックス分解し、およびバイオフィルム除去する方法であって、下記を含む方法：ソフトロボット構造を形成するように適合された、ヒドロゲル中に酸化鉄ナノ粒子を埋め込むこと；
ソフトロボット構造をバイオフィルムで覆われた表面に投与すること；及び
ソフトロボット構造を磁化すること、ここで、ソフトロボット構造は、細菌を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解し、バイオフィルム根絶によって引き起こされたバイオフィルム破片を除去するように適合されている。
【請求項16】
ヒドロゲルが刺激応答性ポリマーである、請求項１５に記載の方法。
【請求項17】
ソフトロボット構造が３体積％の寒天および１０体積％の酸化鉄ナノ粒子である、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
磁場方向と再整列するように適合されたソフトロボット構造が、その短軸に沿って磁化される、請求項１５に記載の方法。
【請求項19】
ソフトロボット構造がベーン形状であり、密閉された表面の壁からバイオフィルムの破片をこすり落として動かすように適合されている、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
ソフトロボット構造が二重らせん形状であり、バイオフィルム閉塞をドリルスルーして壁からバイオフィルムを除去するように適合されている、請求項１８に記載の方法。
【請求項21】
Ｈ２Ｏ２および酸化鉄ナノ粒子の懸濁液が、歯内消毒またはバイオフィルム除去のために根管に投与される、請求項１に記載の方法。
【請求項22】
前記バイオハイブリッドロボットは、前記峡部を通って移動して、バイオフィルムを破壊し、バイオフィルムの破片を除去するように適合されている、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
Ｈ２Ｏ２および酸化鉄ナノ粒子の懸濁液が、歯内消毒またはバイオフィルム除去のために根管に投与される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項24】
前記バイオハイブリッドロボットは、前記峡部を通って移動して、バイオフィルムを破壊し、バイオフィルムの破片を除去するように適合されている、請求項２１に記載のシステム。
【請求項25】
歯内消毒またはバイオフィルム除去のために歯管を横切ってソフトロボット構造を動かすことをさらに含む、請求項２０に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
連邦政府が後援する研究に関する声明
本発明は、国立衛生研究所（ＮＩＨ）によって授与された助成金番号Ｒ０１ＤＥ０２５８４８の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
本発明は、国立衛生研究所（ＮＩＨ）によって授与された助成金番号Ｒ０１ＤＥ０２５８４８の下で政府の支援を受けてなされた。政府は本発明において一定の権利を有する。
【0002】
関連出願への相互参照
この出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年１１月２８日に出願された米国仮特許第６２／７７２，３０６号からの優先権を主張する。
この出願は、参照により本明細書に組み込まれる、２０１８年１１月２８日に出願された米国仮特許第６２／７７２，３０６号からの優先権を主張する。
【背景技術】
【0003】
背景
バイオフィルムは、表面に付着した細胞外高分子物質のマトリックスに囲まれた細菌細胞の構造化された共同体である。バイオフィルムは、歯や粘膜表面などの生物表面、および埋め込まれた医療機器やカテーテルなどの非生物表面に形成される可能性があり、それによって患者の感染症や医学的合併症を引き起こし得る。バイオフィルムは、自然環境や産業環境にも存在する可能性がある。たとえば、バイオフィルムは、冷却塔、プール、温泉などの人工の水生システムを汚染する可能性がある。産業環境では、バイオフィルムがパイプの内部に発生し、詰まりや腐食を引き起こす可能性がある。そのようなバイオフィルムの細胞外マトリックスは、凝集／接着を提供し、抗菌薬に対するバリアとして機能し、それらの中の細菌を保護する複雑で機械的に安定した足場であるエキソポリサッカライド（ＥＰＳ）などの高分子物質を含むことができる。
バイオフィルムは、表面に付着した細胞外高分子物質のマトリックスに囲まれた細菌細胞の構造化された共同体である。バイオフィルムは、歯や粘膜表面などの生物表面、および埋め込まれた医療機器やカテーテルなどの非生物表面に形成される可能性があり、それによって患者の感染症や医学的合併症を引き起こし得る。バイオフィルムは、自然環境や産業環境にも存在する可能性がある。たとえば、バイオフィルムは、冷却塔、プール、温泉などの人工の水生システムを汚染する可能性がある。産業環境では、バイオフィルムがパイプの内部に発生し、詰まりや腐食を引き起こす可能性がある。そのようなバイオフィルムの細胞外マトリックスは、凝集／接着を提供し、抗菌薬に対するバリアとして機能し、それらの中の細菌を保護する複雑で機械的に安定した足場であるエキソポリサッカライド（ＥＰＳ）などの高分子物質を含むことができる。
【0004】
バイオフィルムと戦うための特定の技術は、バイオフィルムの根絶と除去の両方に失敗し、再感染につながるため、ほとんど効果がない。抗生物質や免疫応答などの抗菌アプローチは、バイオフィルムの複雑な構造的および生物学的特性に対処できない可能性があり、バイオフィルムの破片や細菌が除去されない場合、バイオフィルムは迅速に再確立する能力を保持する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0005】
したがって、バイオフィルムマトリックス内の細菌を効果的に実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解し、結果として生じるバイオフィルムの破片を除去する技術の必要性が存在する。
【課題を解決するための手段】
【0006】
概要
バイオフィルムマトリックス内の細菌を根絶するために小規模ロボット工学を使用するシステムおよび方法が本明細書に開示されている。
バイオフィルムマトリックス内の細菌を根絶するために小規模ロボット工学を使用するシステムおよび方法が本明細書に開示されている。
【0007】
開示された主題は、Ｈ２Ｏ２および酸化鉄ナノ粒子の懸濁液を投与して、バイオフィルムマトリックス内の細菌を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解し、バイオフィルム分解によって引き起こされたバイオフィルム破片の除去に適したバイオハイブリッドロボットに組み立てるために酸化鉄ナノ粒子を作動させ、そして、バイオハイブリッドロボットを動かして、表面からバイオフィルムの破片を取り除く技術を提供する。いくつかの実施形態では、懸濁液は、５０％グリセロール１ミリリットルあたり５００マイクログラムから５０００マイクログラムの酸化鉄ナノ粒子で処方することができる。いくつかの実施形態において、懸濁液は、バイオフィルムマトリックスを分解するために、ムタナーゼ、デキストラナーゼ、ＤＮアーゼ、プロテアーゼ、リパーゼ、アミログルコシダード、グルコースオキシダーゼ、またはそれらの組み合わせを含む酵素と共に処方され得る。例えば、懸濁液は、１％Ｈ２Ｏ２および１．７５Ｕ／８．７５Ｕのムタナーゼ／デキストラナーゼで処方されて、細菌を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解することができる。
【0008】
いくつかの実施形態では、永久磁石または電磁石のアレイは、永久磁石からバイオフィルムに磁場を印加して、酸化鉄ナノ粒子を作動させて、バイオハイブリッドロボットに組み立てることができる。いくつかの実施形態において、磁場は、バイオハイブリッドロボットを動かして、表面からバイオフィルム破片を除去することができる（例えば、歯科、義歯、インプラント、窓または他のガラス、バイオフィルムが形成され得るプラスチック表面を含む生物的および非生物的表面からのバイオフィルム除去）。
【0009】
いくつかの実施形態では、開示される主題は、酸化鉄ナノ粒子をヒドロゲル中に埋め込んでソフトロボット構造を形成し、密閉された表面からバイオフィルムを除去するための特定のタスクを実行することを含むことができる。いくつかの実施形態において、ヒドロゲルは、刺激応答性ポリマーであり得る。ソフトロボット構造は、３体積％の寒天と１０体積％の酸化鉄ナノ粒子であることができる。たとえば、磁場の方向に再調整（再配列）できるソフトロボット構造は、その短軸に沿って磁化することができる。
【0010】
開示された主題のいくつかの実施形態では、ソフトロボット構造は、閉じた表面の壁からバイオフィルムをこすり取り、バイオフィルムの破片を動かすために、ベーン（羽根）形状にすることができる。いくつかの実施形態では、ソフトロボット構造は、バイオフィルムの閉塞をドリルスルーし、壁からバイオフィルムを取り除くために、二重らせん（螺旋）形状にすることができる。
【0011】
開示された技術は、バイオフィルムマトリックス内の細菌を根絶し、マトリックスを分解し、歯および粘膜表面などの生物表面、ならびに埋め込まれた医療機器およびカテーテルなどの非生物表面、または内視鏡、カニューレ／カニューレを含む手術器具上のバイオフィルム破片を除去するために、適用することができ、それによって患者の感染症や医学的合併症を防ぐ。さらに、開示された技術は、バイオフィルムマトリックス内の細菌を根絶し、マトリックスを分解し、人工の水系（例えば、冷却塔、プール、水族館、スパ）、窓や食品包装などのガラス／プラスチック表面、パイプ、送水管、その他の密閉面の内部などの自然および産業環境で、バイオフィルムの破片を除去するために適用できる。
【図面の簡単な説明】
【0012】
ここに組み込まれて本開示の一部を構成する添付の図面は、本発明の好ましい実施形態を示し、本発明の原理を説明するのに役立つ。
【0013】
図面の簡単な説明
【0014】
図面全体を通して、特に明記しない限り、同じ参照番号および文字が、図示の実施形態の同様の特徴、要素、構成要素、または部分を示すために使用される。さらに、本発明は、図面を参照して詳細に説明されるが、例示的な実施形態に関連して行われる。
【発明を実施するための形態】
【0015】
詳細な説明
酸化鉄ナノ粒子を使用してバイオフィルムを根絶し、バイオフィルムマトリックス内の細菌を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解し、バイオフィルム根絶によって引き起こされたバイオフィルム破片を除去するための技術を提示する。酸化鉄ナノ粒子は、懸濁液中（懸濁物中）またはソフトロボット構造としてバイオフィルムで覆われた表面に、投与される。酸化鉄ナノ粒子が投与されると、酸化鉄ナノ粒子の触媒機能は細菌を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解する。酸化鉄ナノ粒子の磁気機能が活性化されて、バイオフィルムの破片の除去に適した組み立てのために酸化鉄ナノ粒子を作動させる。
酸化鉄ナノ粒子を使用してバイオフィルムを根絶し、バイオフィルムマトリックス内の細菌を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解し、バイオフィルム根絶によって引き起こされたバイオフィルム破片を除去するための技術を提示する。酸化鉄ナノ粒子は、懸濁液中（懸濁物中）またはソフトロボット構造としてバイオフィルムで覆われた表面に、投与される。酸化鉄ナノ粒子が投与されると、酸化鉄ナノ粒子の触媒機能は細菌を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解する。酸化鉄ナノ粒子の磁気機能が活性化されて、バイオフィルムの破片の除去に適した組み立てのために酸化鉄ナノ粒子を作動させる。
【0016】
図１は、開示された主題の実施形態による、酸化鉄ナノ粒子の二重の触媒磁気機能を示す図である。酸化鉄ナノ粒子１０１は、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）に触媒作用して、細菌１０２を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックス１０３を分解することができる。バイオフィルムマトリックス分解は、浸透および細菌根絶を促進しながら、構造的足場を破壊するための鍵である。細菌根絶効果は、バイオフィルムマトリックスが分解されると大幅に強化される。バイオフィルムマトリックスは、細菌を根絶するのに十分なほど分解されると、分解される。バイオフィルムマトリックス内の細菌が殺されると、細菌は実質的に根絶される。酸化鉄ナノ粒子を磁気的に活性化して１０４、酸化鉄ナノ粒子を作動させてバイオハイブリッドロボットに組み立て、バイオハイブリッドロボットを動かしてバイオフィルムの破片を表面から除去することができる。
【0017】
図２は、開示された主題の実施形態による、バイオフィルム上の酸化鉄ナノ粒子の懸濁液の適用を示す図である。酸化鉄ナノ粒子は、過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を触媒して（に触媒作用して）フリーラジカルを生成する。これらのフリーラジカルは、バイオフィルムの細胞外マトリックス内に埋め込まれた細菌を実質的に根絶することができる。フリーラジカルはまた、バイオフィルムの細胞外マトリックスを分解する可能性がある。この分解は、フリーラジカルが細菌を実質的に根絶するよりもゆっくりと起こる。
【0018】
図３は、開示された主題の実施形態による、酸化鉄ナノ粒子の用量依存性根絶活性を示す。 ５０％グリセロール１ミリリットルあたり５００マイクログラムから５０００の酸化鉄ナノ粒子の濃度は、細菌を根絶するための最大の効果を達成する。
【0019】
図４は、開示された主題の実施形態による、酵素ムタナーゼおよびデキストラナーゼの用量依存的な細胞外マトリックス分解を示す。酸化鉄ナノ粒子の触媒機能は、細菌を実質的に根絶するよりもゆっくりとバイオフィルムマトリックスを分解するが、分解速度は、ムタナーゼやデキストラナーゼなどの酵素で高めることができる。１．７５Ｕムタナーゼと８．７５Ｕデキストラナーゼの組み合わせは、細胞外マトリックス分解に対して最大の効果を達成する。
【0020】
図５は、開示された主題の実施形態による、酸化鉄ナノ粒子の２つの例示的なプラットフォームを示す図である。これらのプラットフォームは、酸化鉄ナノ粒子がバイオフィルムの破片を除去することを可能にする。第１のプラットフォームでは、酸化鉄ナノ粒子５０１が懸濁され、バイオフィルムで覆われた表面に投与される。酸化鉄ナノ粒子がそれらの触媒機能を実行すると、それらは、磁気要素を使用してバイオハイブリッドロボット５０２に組み立てられるように作動される。いくつかの実施形態では、磁気要素は、永久磁石または磁場を印加する電磁石のアレイであり得る。第２のプラットフォームでは、酸化鉄ナノ粒子がヒドロゲルに埋め込まれて、ソフトロボット構造５０３を形成する。いくつかの実施形態では、これらの構造は、ベーン形状５０４またはダブルらせん形状５０５であり得る。構造の形状は、限られたアクセスできない場所からのバイオフィルムの除去根絶を可能にし得る。
【0021】
図６Ａ～６Ｅは、開示された主題の実施形態による、バイオフィルム破片の除去を伴うおよび伴わない細菌の再増殖を示す。図６Ａでは、バイオフィルムで覆われた表面は、酸化鉄ナノ粒子で処理されていなかった。図６Ｂでは、バイオフィルムで覆われた表面は酸化鉄ナノ粒子で処理されたが、バイオフィルムの破片は表面から除去されなかった。図６Ａおよび６Ｂは両方とも、バイオフィルムの再成長を示し、バイオフィルムの破片が除去されない場合、バイオフィルムがそれ自体を迅速に再確立する能力を保持していることを示している。図６Ｃでは、バイオフィルムで覆われた表面が酸化鉄ナノ粒子で処理され、バイオフィルムの破片が磁気作動によって表面から除去された。図６Ｃでは、バイオフィルムの再成長は観察されなかった。図６Ｄおよび６Ｅは、それぞれ、図６Ａ－６Ｃの表面上のバイオマスおよび生細胞の量を示す。図６Ａおよび６Ｂの両方の表面は、高レベルのバイオマスおよび生細胞を示しているが、図６Ｃは、検出されたバイオマスまたは生細胞を示さない。
【0022】
図７は、開示された主題の実施形態による、磁気要素によって操作されている酸化鉄ナノ粒子を示している。酸化鉄ナノ粒子７０１が細菌を実質的に根絶し、バイオフィルムマトリックスを分解すると、磁気要素が活性化される７０２。磁気要素は、バイオハイブリッドロボット７０３に組み立てるために酸化鉄ナノ粒子を作動させ、バイオハイブリッドロボット７０３の動きを制御する。いくつかの実施形態では、バイオハイブリッドロボットは、バイオフィルム破片を貫通し、バイオフィルム破片をバイオハイブリッドロボットに組み込むことによって、バイオフィルム破片を除去することができる棒状構造７０４を形成することができる。
【0023】
図８は、開示された主題の実施形態による、バイオハイブリッドロボットの磁気制御された動きによるバイオフィルム破片の広い領域の除去を示す図である。バイオハイブリッドロボットは、バイオフィルムで覆われた表面の広い範囲を移動できる。いくつかの実施形態では、バイオハイブリッドロボットは、バイオフィルムで覆われた表面の中心から始まり、同心的に外側に向かって徐々に動かす、定義された軌道をたどることができる。この軌跡に従って、バイオハイブリッドロボットは汚染された表面からバイオフィルムの破片を取り除くことができる。この軌道は、個々の酸化鉄ナノ粒子を継続的に上部構造に引き込み、それによってそのサイズと密度を増加させることもできる。
【0024】
図９は、開示された主題の実施形態による、マイクロメートルスケールの幾何学的精度を備えた明確に定義された経路上のバイオハイブリッドロボットの制御された動きを示している。バイオハイブリッドロボット９０１は、マイクロメートルスケールの幾何学的精度９０３で明確に定義された経路９０２上を動かすことができる。例えば、バイオフィルムは、近くの宿主組織に損傷を与えることなく除去することができ、またはバイオフィルムを特定の病理学的部位でサンプリングすることができる。いくつかの実施形態において、酸化鉄ナノ粒子の懸濁液は、局所的なバイオフィルム根絶を可能にするために、バイオフィルムで覆われた表面の近くに集中させることができる。
【0025】
図１０は、開示された主題の実施形態による、ベーン形状のソフトロボット構造およびダブルらせん形状のソフトロボット構造のモデル表現を示している。酸化鉄ナノ粒子は、ソフトロボット構造を形成するためにヒドロゲルに埋め込まれている。これらの構造は、限られたアクセスできない場所からのバイオフィルムの根絶などの特定のタスクを実行するように形作ることができる。ヒドロゲルはＨ２Ｏ２を透過する可能性があるため、酸化鉄ナノ粒子は上記のように触媒機能を実行できる。いくつかの実施形態において、ヒドロゲルは、刺激応答性ポリマーであり得る。例えば、ヒドロゲルは、熱可逆性ゲル化寒天ポリマー、またはｐＨおよび温度応答性ポリマーを含む別の刺激応答性ポリマーであり得る。いくつかの実施形態では、ソフトロボット構造は、体積あたり３％の重量の寒天および体積あたり１０％の重量の酸化鉄ナノ粒子であり得る。いくつかの実施形態では、両方の構造をそれらの短軸に沿って磁化して、磁場方向と再整列させることができる。
【0026】
図１１は、開示された主題の実施形態による、円筒管の壁上のベーン形状のソフトロボット構造洗浄バイオフィルムを示す図である。ベーン形状は、フィンのような構造を持つ中央コアを持つことができる。ベーン形状構造１１０１は、磁性素子から加えられた磁気トルクで回転することができ、磁性素子を使用して力を加えることにより、ある速度で前方に動かすことができる。この回転は、局所的な流体剪断応力を生成し、チューブ１１０２の曲面をこすり落とすことができる。ベーン形状の構造が前方に動かすと、それは曲面上を掃引し、それによってバイオフィルムの破片をこすり落とし、動かす。動かされた（置き換えられた）バイオフィルムの破片は、水でそれを洗い流すことによって管から取り除くことができるパイル１１０３を形成する。
【0027】
図１２は、開示された主題の実施形態による、円筒形チューブ内のバイオフィルム詰まりを貫通する二重らせん形状のソフトロボット構造を示す図である。二重らせん形状では、中心軸に２つのらせんを巻き付けることができる。二重らせん形状構造１２０１のキラル形状は、磁気要素から加えられた磁気トルクで前方に動かすことを可能にし、それにより、コルク栓抜きのように構造を推進する１２０２。この動きにより、二重らせん形状構造は、バイオフィルム閉塞１２０３をドリルスルーし、壁からバイオフィルムを取り除く。構造物が前方に動くと、それは水でそれを洗い流すことによって管から取り除くことができる山（パイル）を形成する。
【0028】
図１３Ａ～Ｃは、開示された主題の実施形態による、歯管内のバイオフィルムを処理するためのバイオハイブリッドロボットの使用の例を示す。特に、図１３Ａおよび１３Ｂは、歯管の断面図を示している。図１３Ａでは、酸化鉄ナノ粒子は、２つの根管の間の幅が約２００から６００マイクロメートルの狭い回廊である峡部に投与され得、その後、一端から他端へ移動され、地峡（峡部）の全範囲を横断することができるバイオハイブリッドロボットへの組み立てのために作動され得る。図１３Ｂに示すように、酸化鉄ナノ粒子で作られた二重らせん形のソフトロボット構造もまた、歯管の範囲にわたって磁気的に制御することができる（図１３Ｂ）。図１３Ａは、歯管の縦断面を示している。ｔ＝０ｓでは、バイオハイブリッドロボットは根管の１つにある。ｔ＝１１．５ｓで、バイオハイブリッドロボットは峡部を通過する。ｔ＝１４．５秒で、バイオハイブリッドロボットはもう一方の根管に到達する。図１３Ｂは、歯管の緯度断面を示している。ｔ＝０ｓでは、二重らせん形のソフトロボットが歯根管の上部にある。次に、バイオハイブリッドロボットは、ｔ＝１７．７ｓで歯根管の底に到達するまで歯根管を下に移動する。図１３Ｃは、処理の前後に示されるように、バイオハイブリッドロボットによる峡部におけるバイオフィルムの根絶を示す。バイオフィルムは、視覚化のために蛍光標識された。
【0029】
より一般的には、開示された技術は、バイオフィルムマトリックス内の細菌を根絶し、マトリックスを分解し、歯および粘膜表面などの生物表面、ならびに移植された医療機器およびカテーテル、または内視鏡、カニューレ／カニューレを含む手術器具などの非生物表面上のバイオフィルム破片を除去するために適用することができ、それによって患者の感染症や医学的合併症を防ぐ。さらに、開示された技術は、バイオフィルムマトリックス内の細菌を根絶し、マトリックスを分解し、人工の水系（例えば、冷却塔、プール、水族館、スパ）、窓や食品包装などのガラス／プラスチック表面、パイプ、送水管、その他の密閉面の内部などの自然および産業環境でバイオフィルムの破片を除去するために適用できる。
【0030】
上記は、開示された主題の原理を単に例示しているにすぎない。説明された実施形態に対する様々な修正および変更は、本明細書の教示を考慮して当業者には明らかであろう。したがって、当業者は、本明細書に明示的に記載されていないが、開示された主題の原理を具体化し、したがってその精神および範囲内にある多数の技術を考案することができることが理解されよう。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【国際調査報告】