Magnetic Microswarm Composed of Porous Nanocatalysts for Targeted Elimination of Biofilm Occlusion

材料科学 纳米机器人学 生物膜 群体行为 纳米技术 磁场 胞外聚合物 化学 细菌 计算机科学 生物 物理 遗传学 量子力学 人工智能
作者
Yue Dong,Lu Wang,Kangze Yuan,Fengtong Ji,J. Gao,Zifeng Zhang,Xingzhou Du,Yuan Tian,Wei Wang,Li Zhang
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:15 (3): 5056-5067 被引量:97
标识
DOI:10.1021/acsnano.0c10010
摘要

Biofilm is difficult to thoroughly cure with conventional antibiotics due to the high mechanical stability and antimicrobial barrier resulting from extracellular polymeric substances. Encouraged by the great potential of magnetic micro-/nanorobots in various fields and their enhanced action in swarm form, we designed a magnetic microswarm consisting of porous Fe3O4 mesoparticles (p-Fe3O4 MPs) and explored its application in biofilm disruption. Here, the p-Fe3O4 MPs microswarm (p-Fe3O4 swarm) was generated and actuated by a simple rotating magnetic field, which exhibited the capability of remote actuation, high cargo capacity, and strong localized convections. Notably, the p-Fe3O4 swarm could eliminate biofilms with high efficiency due to synergistic effects of chemical and physical processes: (i) generating bactericidal free radicals (•OH) for killing bacteria cells and degrading the biofilm by p-Fe3O4 MPs; (ii) physically disrupting the biofilm and promoting •OH penetration deep into biofilms by the swarm motion. As a demonstration of targeted treatment, the p-Fe3O4 swarm could be actuated to clear the biofilm along the geometrical route on a 2D surface and sweep away biofilm clogs in a 3D U-shaped tube. This designed microswarm platform holds great potential in treating biofilm occlusions particularly inside the tiny and tortuous cavities of medical and industrial settings.
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