病毒增强型微机器人（Virus@microbots）：一种用于生物膜根除的创新协同策略

本文介绍了一种创新的病毒功能化磁性微机器人（virus@microbots）平台，该平台巧妙结合了噬菌体（phage）的生物靶向性和微机器人（microbots）的磁驱动力，通过机械破坏与生物裂解的双重作用（dual-action）协同高效清除金黄色葡萄球菌（S. aureus）生物膜（biofilm），为应对耐药生物膜感染提供了极具前景的解决方案。

　　

1 引言

生物膜是由微生物群落及其分泌的胞外聚合物（EPS）构成的复杂结构，广泛附着于医疗器械、工业管道及活体组织表面，对抗生素和环境胁迫具有极强的抵抗力，是导致持续性感染的主要原因。其中，金黄色葡萄球菌（S. aureus）是常见的生物膜形成菌，可引发严重的感染性疾病。传统的物理化学清除方法效率有限且存在毒性风险。近年来，微机器人（microbots）和噬菌体（phage）疗法分别因其主动运动能力和特异性裂解特性受到关注，但各自存在局限性：微机器人常依赖抗菌涂层引发细胞毒性，而游离噬菌体在体液中易稀释且难以渗透致密生物膜。本研究将二者优势结合，通过将噬菌体共价偶联到磁性Fe₃O₄微机器人表面，构建了病毒功能化微机器人（virus@microbots），旨在实现磁导航靶向递送、机械破坏与生物杀菌的协同抗菌效果。

2 结果与讨论

2.1 病毒与磁性微机器人的偶联

通过水热法成功合成了球形Fe₃O₄磁性微机器人，扫描电子显微镜（SEM）和能量色散X射线光谱（EDX）分析显示其形貌均匀，元素分布一致，且具有高纯度。X射线衍射（XRD）证实其晶体结构为立方尖晶石型磁铁矿，傅里叶变换红外光谱（FTIR）显示表面存在羟基（–OH）基团，为病毒偶联提供了反应位点。X射线光电子能谱（XPS）进一步验证了Fe²⁺/Fe³⁺混合价态结构。病毒通过静电吸引、氢键和范德华力等非共价作用力成功偶联到微机器人表面，zeta电位测量和动态光散射（DLS）结果显示，偶联后表面电荷和流体动力学直径发生变化，证实了病毒的有效附着。FTIR光谱中出现的酰胺键特征峰（1500–1700 cm^?1）进一步证明了病毒蛋白的存在。这种功能化策略不仅提高了病毒在生物膜局部的浓度，还保护其免于环境降解，增强了治疗效力。

2.2 运动行为与磁控性能

在磁场驱动下，裸微机器人表现出快速的线性运动（平均速度221 ± 76.96 μm s^?1），而病毒@微机器人由于表面病毒附着增加了流体阻力，速度降低至54 ± 25.61 μm s^?1。这种速度下降反而有利于其在生物膜基质中的机械参与和细菌捕获。实时运动跟踪显示，病毒@微机器人能在磁场引导下有效穿透生物膜，与细菌集群发生相互作用，实现靶向递送和破坏。

2.3 生物膜根除效能

2.3.1 病毒浓度与孵育时间优化

通过结晶紫染色和生物膜映射分析，确定了最佳病毒浓度为10⁸ pfu mL^?1，最佳处理时间为6小时，此时生物膜清除率达到65.77%。超过6小时后清除效率趋于饱和，表明病毒活性或细菌靶点可能耗尽。

2.3.2 靶向生物膜清除

在静态条件下，病毒@微机器人依赖被动扩散，清除效果有限；而在磁驱动动态条件下，其穿透性和递送效率显著增强。比较不同处理组发现，裸微机器人仅通过机械作用清除12.37%的生物膜，游离病毒清除率为24.77%，而病毒@微机器人清除率高达65.77%，体现了显著的协同效应。荧光显微镜和SYPRO Ruby染色显示，病毒@微机器人能有效破坏生物膜蛋白基质，降低荧光信号，证实其对胞外聚合物的降解能力。

2.4 生物膜存活率的Live/Dead荧光检测

采用SYTO9（活细胞，绿色）和碘化丙啶（PI，死细胞，红色）染色结合共聚焦显微镜观察，显示病毒@微机器人处理后的S. aureus生物膜中死细胞信号（红色）显著增强，活细胞信号（绿色）大幅减少，表明其具有强烈的杀菌效果。而对非靶向细菌大肠杆菌（E. coli）的处理则未见明显红色信号，证明了该系统的菌种特异性。

2.5 在实际样品上的抗菌膜效果验证

研究进一步在牛奶、猪皮、鸡皮和枫叶等多种真实生物表面验证了病毒@微机器人的适用性。在牛奶中处理2小时后，琼脂平板菌落计数显示细菌显著减少；SEM图像显示经处理的猪皮、鸡皮和枫叶表面生物膜结构明显破坏，结晶紫定量检测进一步证实了清除效果。FTIR光谱分析表明，病毒@微机器人在复杂生物介质中仍能保持结构稳定性和功能活性。

3 结论

病毒功能化磁性微机器人（virus@microbots）通过整合噬菌体的生物特异性与微机器人的磁控运动能力，提供了一种高效的生物膜协同清除策略。该系统不仅能够靶向递送、机械破坏生物膜基质，还能局部释放病毒实现细菌裂解，在 biomedical、食品工业和环境领域展现出广阔的应用前景。未来研究应聚焦于优化微机器人设计、病毒偶联工艺以及扩大病原体靶谱，推动其向临床转化和实际应用。

4 实验方法

Fe₃O₄微机器人采用水热法合成，经SEM、EDX、XRD、XPS、FTIR、zeta电位和DLS进行全面表征。病毒通过非共价方式偶联至微机器人表面，并经BSA封闭非特异性位点。生物膜培养采用S. aureus在96孔板中静态培养24小时，通过结晶紫染色、Live/Dead荧光染色、SYPRO Ruby蛋白染色及SEM进行效果评估。实际样品处理包括牛奶、动物皮肤和植物叶片，所有样品经固定、脱水后用于SEM成像。磁性驱动采用5 mT磁场，运动行为通过倒置显微镜跟踪分析。