聚焦声涡流技术远程清除生物膜：机制探索与临床应用前景

推荐：本研究针对植入物相关感染中生物膜(Biofilm)耐药难题，创新性采用聚焦声涡流(FAV)技术，通过2-MHz定制换能器生成螺旋波阵面，证实FAV在1.75 MPa/10%占空比下3分钟即可清除97%大肠杆菌生物膜，较传统聚焦超声(FUS)效率提升13倍。该技术通过声流(R2 =0.99)而非空化效应实现机械清除，联合卡那霉素(Kanamycin)可抑制72小时生物膜再生，为无创治疗植入物感染提供新策略。

　　

生物膜如同细菌的"钢铁堡垒"，由胞外聚合物(EPS)构成的复杂三维结构使其对抗生素耐药性提升10-1000倍。全球约65%细菌感染和50%院内感染与之相关，尤其是人工关节、导管等植入物表面形成的生物膜，传统治疗需手术更换植入物并配合大剂量抗生素，费用高昂且创伤大。现有超声辅助方案需3 MPa以上高压或2-48小时处理，易导致组织热损伤。聚焦声涡流(Focused Acoustic Vortex, FAV)因其螺旋相位结构可产生向心涡流，理论上能增强旋转剪切力，但此前从未应用于生物膜清除领域。

台湾的研究团队通过四象限分割的2-MHz PZT换能器，实现π/2相位差驱动的FAV波阵面生成。采用实时粒子图像测速(PIV)和被动空化检测(PCD)技术，结合SYTO9/PI双染和菌落计数(CFU)评估处理效果。研究发现FAV在1.75 MPa下产生的172.1 mm/s涡流速度是FUS的2.3倍，且温度上升<5°C。通过构建24小时成熟的大肠杆菌生物膜模型，证实10%占空比下180秒处理即可清除97%生物膜，而FUS需4 MPa/10分钟才能达到95.8%效果。晶体紫(CV)染色显示FAV能破坏90% EPS基质，与抗生素联用使细菌浓度降低91%。

声场特征分析显示，FAV在焦平面形成环状高压区(直径1.1 mm)，中心低压区产生向心声辐射力。相位分析揭示其携带轨道角动量，与FUS的高斯分布声场形成鲜明对比。微流场测量证实FAV产生向心涡流(电影S1)，而FUS仅产生外向流(电影S2)。生物膜清除效率与声流速度呈强相关(R²
=0.99)，与空化强度(R²
=0.19)无关。热力学检测表明，600秒处理仅升温5°C，显著低于组织损伤阈值(46°C)。

在机制层面，CFW染色显示FAV能破坏β-多糖构成的EPS骨架。协同实验证明，100 μg/mL卡那霉素与FAV联用可使72小时内细菌浓度维持在10³
CFU/ml水平，显著优于单一处理。PI染色证实FAV能增加细菌膜通透性，这可能是增强抗生素效价的关键。

该研究首次证实低频(2-MHz)、无微泡的FAV技术可通过机械力主导机制安全清除生物膜。相较于需要高压(>3 MPa)或外源微泡的传统超声方案，FAV在1.75 MPa下即展现卓越效果，且无显著空化损伤。临床转化后，该技术有望降低60%的植入物翻修手术需求。未来需在金黄色葡萄球菌等临床相关菌株及动物模型中验证，并开发实时影像引导系统。论文发表于《Ultrasonics Sonochemistry》，为声学技术在抗感染领域的创新应用树立里程碑。