能够杀死病原体的3D打印微喷阵列，塑造一个没有抗生素的未来

导读：2021年7月1日，南极熊获悉来自伊利诺伊大学的研究人员3D打印了一个微型微等离子体装置，可用于开发更有效的中耳感染的抗生素治疗。他们设计的新型微等离子体喷射阵列可以安装在标准的临床耳镜上，用于发射带电粒子和反应性分子，使耳部病原体失去作用。

△3D打印微等离子体喷射阵列装置的剖面图。图片来自《biofilms and microbiomes journal》

与可能导致细菌形成防御性生物膜的常规抗生素治疗相比，研究人员说他们的方法提供了"更强的渗透力"，甚至可以作为未来无药疗法的基础。

伊利诺伊大学的伊万-拉谢夫教授HelenNguyen说："生物膜非常密集，使抗生素难以渗透，""我们认为，微等离子体通过扰乱细菌细胞膜来破坏生物膜。到目前为止，我们只有间接的测量结果支持我们的想法，但我们将在未来研究它。如果我们能够破坏病毒生物膜的结构，我们可以增加抗生素的渗透。"

一个没有抗生素的未来？

中耳炎也被称为"中耳乳突炎"或"OM"，是一种在幼儿中普遍存在的疾病，它可能导致他们遭受暂时性的听力损失，影响他们的早期语言能力。虽然抗生素经常被用来治疗OM，但研究表明它们在70%以上的病例中是无效的，因此这种感染已成为小儿麻痹的主要原因。

慢性病例往往与病人中耳内的细菌生物膜的建立有关，因为它们的聚集性使它们成为反复感染的种子。为了打击这些剧毒的生物膜，研究人员近年来尝试了基于微等离子体的方法，这些方法作为破坏狭小空间中的病原体的一种手段显示出特别的前景。

在2018年的一个这样的测试案例中，科学家们能够极大地降低10个月大的生物膜中病毒的生存能力，然而他们的方法还没有被应用于OM相关的病原体。为了纠正这一点，伊利诺伊州的团队使用3D打印技术创建了一套新颖的微等离子体喷射阵列装置，然后通过部署它们来治疗各种加载OM的耳膜模型来测试其能力。

△耳朵内的微等离子体集成耳镜输送平台的图示，研究人员的3D打印设备可以应用于临床耳镜的顶部。图片来自《biofilms and microbiomes journal》

一个正在运行的微等离子体喷射阵列

科学家们所研发微等离子体设备由透明塑料丝材3D打印而成，每一个都有一个核心框架，其中集成了气体输入、微通道扩散器和电极阵列。在使用过程中，在这些微通道阵列中产生和封闭的等离子体，理论上可以在氦气的支持下喷射到病人的耳朵里，以减少耳部病原体的存活率。

为了将他们的设备付诸实践，研究人员用它们来治疗被切除的大鼠耳膜和耳室，其中装满了容纳常见铜绿假单胞菌的生物膜。初步结果显示，经过20分钟的连续治疗，研究小组的喷射阵列装置已经成功清除了构成测试模型 "中耳 "区域的大约90%的病原体。

然而，考虑到大鼠的耳膜比人类的耳膜厚30%，科学家们对一个以多孔结构为特征的、带有细菌的人工膜进行了进一步测试。这一次，研究小组在处理后发现没有完整的细菌细胞，他们也承认，用于将血浆输送到他们的测试模型的气体可能破坏了生物膜的结构。

科学家们说，他们的设备需要进行体内测试来验证他们的结果，因此他们现在正在开发一个更适合人类的耳塞形模型，它应该允许更长的暴露时间，同时他们还打算评估它在治疗其他感染方面的功效，如流感嗜血杆菌和卡他拉菌。

研究团队在他们的论文中总结道："下一步我们将采用3D生物打印的耳膜或可植入的耳膜支架来检查其结构和特性，包括组织的渗透性，体内临床前模型，如OM诱导的栗鼠模型，也将有助于评估微浆对自然生长的中耳生物膜的功效"。

3D打印的听觉潜力

随着抗菌3D打印材料的数量不断增加，该技术正被越来越多地用于治疗耳部疾病和开发增强型助听器设备。就在去年，伦敦大学学院（UCL）的科学家们3D打印了抗菌助听器，证明能够在长期使用过程中防止耳朵感染。

哈佛大学Wyss研究所的研究人员更进一步，他们的3D打印 "PhonoGraft "再生人耳膜获得了美国食品和药物管理局的批准。设计成模仿真实人类耳道的外观，该鼓膜可用于帮助治疗耳部创伤患者，因为它能够通过生成新细胞来 "自我愈合"。

在更多的商业层面，3D打印机制造商RapidShape早在2018年就发布了其Studio-LineHA20 II、HA30 II和HA40 II系统。这些机器是专门为3D打印助听器而设计的，既快速又简单，同时提供的相关部件既具有生物相容性又具有专业标准。

研究人员的研究结果在其题为“Inactivation andsensitization of Pseudomonas aeruginosa by microplasma jet array for treatingotitis media"的论文中作了详细说明。

相关论文链接：https://www.nature.com/articles/s41522-021-00219-2

这项研究的共同作者是Peter P. Sun,Jungeun Won, Gabrielle Choo-Kang, Shouyan Li, Wenyuan Chen, Guillermo L.Monroy, Eric J. Chaney, Stephen A. Boppart, J. Gary Eden and Thanh H. Nguyen。