KR20210098480A - 바이오필름 제거용 소형 로봇 - Google Patents

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KR20210098480A
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캐슬린 스테베
비제이 쿠마르
엘리자베스 헌터
에드워드 스테거
에반 브링크
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더 트러스티스 오브 더 유니버시티 오브 펜실베니아
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Abstract

본 발명은 바이오필름 내의 박테리아를 죽이고, 매트릭스를 분해하며, 바이오필름 잔해를 제거함으로써 바이오필름을 박멸하는 시스템 및 방법에 대해 개시한다. 본원에 개시된 주제는 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아를 실질적으로 박멸하고 바이오필름 매트릭스를 분해하기 위해 H2O2 및 산화철 나노입자의 현탁액을 투여하는 것, 바이오필름 잔해 제거에 적합한 바이오하이브리드 로봇으로 조립하기 위해 산화철 나노입자를 작동시키는 것, 및 바이오하이브리드 로봇을 이동시켜 접근가능하거나 밀폐된 표면으로부터 바이오필름 잔해를 제거하는 것에 관한 기술이다. 일부 실시 양태에서, 개시된 주제는 소프트 로봇 구조를 형성하기 위해 하이드로겔에 산화철 나노 입자를 임베딩하고, 소프트 로봇 구조를 바이오필름이 덮인 위치에 투여하며, 소프트 로봇 구조를 자화하여 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아를 실질적으로 박멸하고 바이오필름 매트릭스를 분해하며 밀폐된 표면에서 바이오필름 잔해를 제거하는 것을 포함할 수 있다.

Description

바이오필름 제거용 소형 로봇
연방 지원 연구에 관한 진술
본 발명은 NIH(National Institutes of Health)에서 수여하는 허가 번호 R01 DE025848에 따라 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권리를 가진다.
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 2018년 11월 28일에 출원된 미국 가특허 제62/772,306호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참고로 포함된다.
바이오필름은 표면에 부착된 세포외 고분자 물질의 매트릭스로 둘러싸인 박테리아 세포의 구조화된 연결체(communities)이다. 생체막은 치아 및 점막 표면과 같은 생물 표면뿐만 아니라 이식된 의료 기기 및 카테터와 같은 비생물 표면에도 형성되어 환자의 감염 및 의학적 합병증을 유발할 수 있다. 바이오필름은 자연 및 산업 환경에서도 존재할 수 있다. 예를 들어, 바이오필름은 냉각탑, 수영장 및 스파와 같은 인공 수중 시스템을 오염시킬 수 있다. 산업 환경에서 바이오필름은 파이프 내부에 발생하여 막힘과 부식을 일으킬 수 있다. 이러한 바이오필름의 세포외 매트릭스는 엑소폴리사카라이드(EPS)와 같은 고분자 물질을 포함할 수 있는데, 이는 응집/접착을 제공하고 항생 약물에 대한 장벽으로 작용하여 그 안에 있는 박테리아를 보호하는 복잡하고 기계적으로 안정적인 스캐폴드이다.
바이오필름을 퇴치하기 위한 특정 기술은 바이오필름을 박멸하고 제거하는데 모두 실패하여, 재감염으로 이어지기 때문에 대체로 비효율적이다. 항생제 및 면역 반응과 같은 항균 접근 방식은 바이오필름의 복잡한 구조적 및 생물학적 특성을 해결하지 못할 수 있으며, 바이오필름은 바이오필름 잔해와 박테리아가 제거되지 않은 경우 자체적으로 빠르게 회복할 수 있는 능력을 유지한다.
따라서, 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아를 효과적으로 실질적으로 박멸하고, 바이오필름 매트릭스를 분해하며, 생성된 바이오필름 잔해를 제거하는 기술이 필요하다.
요약
바이오필름 매트릭스 내의 박테리아를 박멸하기 위해 소형 로봇을 사용하는 시스템 및 방법이 본원에 개시된다.
개시된 발명의 주제 사항은 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아를 실질적으로 박멸하고 바이오필름 매트릭스를 분해하기 위해 H2O2 및 산화철 나노입자의 현탁액을 투여하고, 바이오필름 분해로 인해 생성된 바이오필름 잔해의 제거에 적합한 바이오하이브리드 로봇으로 조립하기 위해 산화철 나노입자를 작동시키며, 바이오하이브리드 로봇을 움직여 표면에서 바이오필름 잔해를 제거하는 것에 관한 기술을 제공한다. 일부 실시 양태에서, 현탁액은 50% 글리세롤 1밀리리터당 500 마이크로그램 내지 5000 마이크로그램의 산화철 나노입자로 제형화될 수 있다. 일부 실시 양태에서, 현탁액은 바이오필름 매트릭스를 분해하기 위해 뮤타나제, 덱스트라나제, DNase, 프로테아제, 리파제, 아밀로글루코시다이드, 글루코스 옥시다제 또는 이들의 조합을 포함하는 효소와 함께 제형화될 수 있다. 예를 들어, 현탁액은 1% H2O2 및 1.75U/8.75U 뮤타나제/덱스트라나제로 제형화되어 실질적으로 박테리아를 박멸하고 바이오필름 매트릭스를 분해할 수 있다.
일부 실시 양태에서, 영구 자석 또는 전자석 어레이가 영구 자석으로부터의 자기장을 바이오필름에 적용하여 산화철 나노입자를 작동시키고 바이오하이브리드 로봇으로 조립되게 할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 자기장은 바이오하이브리드 로봇을 이동시켜 표면으로부터 바이오필름 잔해를 제거할 수 있다(예를 들어, 치아, 의치, 임플란트, 윈도우 또는 기타 유리, 바이오필름이 형성될 수 있는 플라스틱 표면을 포함하는 생물 및 비생물 표면으로부터 바이오필름을 제거).
일부 실시 양태에서, 개시된 주제 사항은 밀폐된 표면으로부터 바이오필름을 제거하기 위한 특정 작업을 수행하기 위한 소프트 로봇 구조를 형성하기 위해 하이드로겔에 산화철 나노입자를 임베딩하는 것을 포함할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 하이드로겔은 자극-반응성 중합체일 수 있다. 소프트 로봇 구조는 한천 부피 기준으로 3중량% 및 산화철 나노입자 부피 기준으로 10중량%일 수 있다. 예를 들어, 자기장 방향으로 재정렬할 수 있는 소프트 로봇 구조는 단축을 따라 자화될 수 있다.
개시된 주제의 일부 실시 양태에서, 소프트 로봇 구조는 밀폐된 표면의 벽으로부터 바이오필름을 긁어 내고 바이오필름 잔해를 옮기기 위해 베인-형(vane-shape)일 수 있다. 일부 실시 양태에서, 소프트 로봇 구조는 바이오필름 폐색을 관통하여 뚫고 벽으로부터 바이오필름을 제거하기 위해 이중나선-형태(double helicoid-shape)일 수 있다.
개시된 기술은 치아 및 점막 표면과 같은 생물 표면뿐만 아니라 이식된 의료 기기 및 카테터와 같은 비생물 표면, 또는 내시경 및 캐뉼라(cannulas/cannulae)를 포함하는 수술기구에서 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아를 박멸하고, 매트릭스를 분해하며, 바이오필름 잔해를 제거하여, 환자의 감염 및 의학적 합병증을 예방하는데 적용될 수 있다. 더 나아가, 개시된 기술은 인공 수중 시스템(예: 냉각탑, 수영장, 수족관 및 스파), 유리/플라스틱 표면(창문, 식품 포장, 파이프 내부, 수로 및 기타 밀폐된 표면 포함)과 같은 자연 및 산업 환경에서 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아를 박멸하고, 매트릭스를 분해하며, 바이오필름 잔해를 제거하는 데 적용될 수 있다.
본 개시의 일부를 구성하고 포함하는 첨부 도면은 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하고 본 발명의 원리를 설명하는 역할을 한다.
도 1은 산화철 나노입자의 이중 촉매-자기 기능을 나타내는 다이어그램이다.
도 2는 산화철 나노입자의 현탁액을 바이오필름에 적용하는 것을 예시한 다이어그램이다.
도 3은 산화철 나노입자의 용량 의존적 제거 활성을 도시한다.
도 4는 효소 뮤타나제 및 덱스트라나제의 용량 의존적 세포외 매트릭스 분해를 도시한다.
도 5는 산화철 나노입자에 대한 두 가지 플랫폼을 나타내는 다이어그램이다.
도 6A-6E는 바이오필름 잔해를 제거하거나 제거하지 않은 세균 재성장을 도시한다.
도 7은 자기 소자에 의해 조작되는 산화철 나노입자를 예시한다.
도 8은 산화철 나노입자의 자기-제어 이동에 의해 넓은 영역의 바이오필름 잔해가 제거되는 것을 보여주는 다이어그램이다.
도 9는 마이크로미터 규모의 기하학적 정밀도로 잘 정의된 경로에서 산화철 나노입자의 제어된 움직임을 보여준다.
도 10은 베인-형 소프트 로봇 구조 및 이중나선형 소프트 로봇 구조의 대표 모델을 예시한다.
도 11은 원통형 튜브의 벽면에 바이오필름을 세정하는 베인-형 소프트 로봇 구조를 나타낸 도면이다.
도 12는 원통형 튜브에 있는 바이오필름 막힘을 관통하는 이중나선형 소프트 로봇 구조를 도시한 다이어그램이다.
도 13A-C는 근관치료(endodontic disinfection) 소독 및 치아 관의 바이오필름 처리를 위한 산화철 나노입자의 사용 예를 도시한다.
도면 전체에 걸쳐, 달리 언급되지 않는 한, 동일한 참조 번호 및 문자는 예시된 실시예의 유사한 특징, 요소, 구성 요소 또는 부분을 나타내기 위해 사용된다. 나아가, 본 발명은 이제 상기 도면들을 참조하여 상세하게 설명될 것이며, 이는 예시적인 실시예와 관련되어 있다.
본원발명은 산화철 나노입자를 사용하여 바이오필름 매트릭스 내에서 박테리아를 실질적으로 박멸하고, 바이오필름 매트릭스를 분해하며, 바이오필름 박멸로 인한 바이오필름 잔해를 제거하는 기술을 제공한다. 산화철 나노입자는 현탁액으로 또는 부드러운 로봇 구조로 바이오필름으로 덮인 표면에 투여된다. 산화철 나노입자가 투여되면 산화철 나노입자의 촉매 기능은 실질적으로 박테리아를 박멸하고 바이오필름 매트릭스를 분해한다. 산화철 나노입자의 자기 기능은 산화철 나노입자를 작동시키기 위해 활성화되어, 바이오필름 잔해 제거에 적합한 조립을 형성한다.
도 1은 개시된 주제의 일 실시예에 따른 산화철 나노입자의 이중 촉매-자기 기능을 예시하는 다이어그램이다. 산화철 나노입자(101)는 과산화수소(H2O2)를 촉매하여 박테리아(102)를 실질적으로 근절하고 바이오필름 매트릭스(103)를 분해할 수 있다. 바이오필름 매트릭스 분해는 구조적 스캐폴드를 파괴하는 동시에 침투 및 박테리아 박멸을 촉진하는 중요한 키이다. 박테리아 박멸 효과는 바이오필름 매트릭스가 분해될 때 실질적으로 향상된다. 바이오필름 매트릭스는 박테리아 박멸을 허용할 수 있도록 충분히 분해될 때 붕괴된다. 박테리아는 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아가 죽을 때 실질적으로 박멸된다. 산화철 나노입자는 자기적으로 활성화되어(104) 바이오하이브리드 로봇으로 조립되기 위해 산화철 나노입자를 작동시키고 바이오하이브리드 로봇을 이동시켜 표면에서 바이오필름 잔해를 제거할 수 있다.
도 2는 개시된 주제의 일 실시예에 따라 바이오필름 상에 산화철 나노입자의 현탁액을 적용하는 것을 예시하는 다이어그램이다. 산화철 나노입자는 과산화수소(H2O2)를 촉매하여 자유 라디칼을 생성한다. 이러한 자유 라디칼은 바이오필름 세포외 매트릭스에 묻힌 박테리아를 실질적으로 박멸할 수 있다. 자유 라디칼은 또한 바이오필름 세포외 매트릭스를 분해할 수 있다. 이 분해는 자유 라디칼이 박테리아를 실질적으로 박멸하는 것보다 더 느리게 발생한다.
도 3은 개시된 주제의 실시예에 따른 산화철 나노입자의 용량 의존적 박멸 활성을 도시한다. 50% 글리세롤 1 밀리리터당 500 내지 5000 마이크로그램의 산화철 나노입자의 농도로 박테리아 박멸에 대한 최대 효능을 달성할 수 있다.
도 4는 개시된 주제의 실시예에 따른 효소 뮤타나제 및 덱스트라나제의 용량 의존적 세포외 매트릭스 분해를 도시한다. 산화철 나노입자의 촉매 기능은 박테리아를 실질적으로 박멸하는 것보다 바이오필름 매트릭스를 더 느리게 분해하는 반면, 분해 속도는 뮤타나제 및 덱스트라나제를 포함한 효소에 의해 빨리질 수 있다. 1.75U 뮤타나제와 8.75U 덱스트라나제의 조합으로 세포외 매트릭스 분해에 대한 최대 효능을 달성할 수 있다.
도 5는 개시된 주제의 일 실시예에 따른 산화철 나노입자를 위한 두 가지 예시적 플랫폼을 설명하는 다이어그램이다. 이러한 플랫폼은 산화철 나노입자가 바이오필름 잔해를 제거할 수 있도록 한다. 제1 플랫폼에서, 산화철 나노입자(501)는 현탁되고 바이오필름으로 덮인 표면에 투여된다. 산화철 나노입자가 그 촉매 기능을 수행하면, 자기 소자를 사용하여 바이오하이브리드 로봇(502)으로 조립하기 위해 작동된다. 일부 실시예에서, 자기 소자는 영구 자석 또는 자기장을 적용하는 전자석 어레이일 수 있다. 제2 플랫폼에서, 산화철 나노입자는 하이드로겔에 임베딩되어 소프트 로봇 구조(503)를 형성한다. 일부 실시예에서, 이러한 구조는 베인-형(504) 또는 이중 나선-형(505)일 수 있다. 이러한 구조의 형상에 의해 제한되고 접근하기 어려운 위치에서도 바이오필름을 제거할 수 있다.
도 6a-6e는 개시된 주제의 일 실시예에 따른 바이오필름 잔해가 제거된 경우와 제거되지 않은 경우의 박테리아 재성장을 도시한다. 도 6a에서, 바이오필름으로 덮인 표면은 산화철 나노입자로 처리되지 않았다. 도 6b에서, 바이오필름으로 덮인 표면은 산화철 나노입자로 처리되었지만, 바이오필름 잔해는 표면에서 제거되지 않았다. 도 6a 및 6b는 모두 바이오필름 재성장을 보여 주며, 바이오필름 잔해가 제거되지 않으면 바이오필름이 자체적으로 빠르게 재구축할 수 있는 능력을 보유하고 있음을 보여준다. 도 6c에서, 바이오필름으로 덮인 표면은 산화철 나노입자로 처리되었고 바이오필름 잔해는 자기 작동을 통해 표면에서 제거되었다. 도 6c에서는 바이오필름 재성장이 관찰되지 않았다. 도 6d 및 6e는 각각 도 6a 내지 도 6c의 표면상의 바이오매스 및 생존 세포의 양을 나타낸다. 도 6a 및 6b 모두의 표면에는 높은 수준의 바이오매스 및 생존 세포가 있음을 볼 수 있다. 도 6c는 검출된 바이오매스 또는 생존 세포가 없음을 보여준다.
도 7은 개시된 주제의 실시예에 따라 자기 소자에 의해 조작되는 산화철 나노입자를 예시한다. 산화철 나노입자(701)가 박테리아를 실질적으로 박멸하고 바이오필름 매트릭스를 분해하면 자기 소자가 활성화된다(702). 자기 소자는 바이오하이브리드 로봇(703)으로의 조립을 위해 산화철 나노입자를 작동시키고 바이오하이브리드 로봇(703)의 움직임을 제어한다. 일부 실시예에서, 바이오하이브리드 로봇은 바이오필름 잔해를 관통하고 바이오하이브리드 로봇에 바이오필름 잔해를 삽입함으로써 바이오필름 잔해를 제거할 수 있는 막대형 구조(704)를 형성할 수 있다.
도 8은 개시된 주제의 실시예에 따른 바이오하이브리드 로봇의 자기 제어 이동에 의한 바이오필름 잔해의 넓은 영역의 제거를 예시하는 다이어그램이다. 바이오하이브리드 로봇은 바이오필름으로 덮인 표면의 넓은 범위를 이동할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 바이오하이브리드 로봇은 바이오필름으로 덮인 표면의 중심에서 출발하여 동심 방식으로 점진적으로 바깥쪽으로 이동하는 정의된 궤적을 따를 수 있다. 이 궤적을 따라, 바이오하이브리드 로봇은 오염된 표면으로부터 바이오필름 잔해를 제거할 수 있다. 이 궤적은 또한 개별 산화철 나노입자를 지속적으로 상부 구조(superstructure)로 끌어 당겨, 그 크기와 밀도를 증가시킬 수 있다.
도 9는 개시된 주제의 실시예에 따른 마이크로미터 규모의 기하학적 정밀도로 잘 정의된 경로에 따른 바이오하이브리드 로봇의 제어된 움직임을 도시한다. 바이오하이브리드 로봇(901)은 마이크로미터 규모의 기하학적 정밀도(903)로 잘 정의된 경로(902) 위로 이동할 수 있다. 예를 들어, 인근 호스트-조직을 손상시키지 않고 바이오필름을 제거하거나 특정 병리학적 부위에서 바이오필름을 샘플링할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 산화철 나노입자의 현탁액은 국부적인 바이오필름 박멸을 가능하게 하기 위해 바이오필름으로 덮인 표면 근처에 농축될 수 있다. 도 10은 개시된 주제의 실시예에 따른 베인-형 소프트 로봇 구조 및 이중 나선-형 소프트 로봇 구조의 대표 모델을 예시한다. 산화철 나노입자는 하이드로겔에 임베딩되어 소프트 로봇 구조를 형성한다. 이러한 구조는 제한되고 접근하기 어려운 위치에서도 바이오필름 제거와 같은 특정 작업을 수행하도록 형성될 수 있다. 하이드로겔은 H2O2 에 대해 투과성이므로 산화철 나노입자는 위에서 설명한 대로 촉매 기능을 수행할 수 있다. 일부 실시 양태에서, 하이드로겔은 자극-반응성 중합체일 수 있다. 예를 들어, 하이드로겔은 열-가역성 겔화 한천 중합체 또는 pH 및 온도-반응성 중합체를 포함하는 다른 자극-반응성 중합체일 수 있다. 일부 실시 양태에서, 소프트 로봇 구조는 한천 부피 기준 3중량% 및 산화철 나노입자 부피 기준 10중량%일 수 있다. 일부 실시예에서, 두 구조는 모두 그 단축을 따라 자화되어 자기장 방향으로 재정렬될 수 있다.
도 11은 개시된 주제의 일 실시예에 따른 원통형 튜브의 벽 상에서 바이오필름을 제거하는 베인-형 소프트 로봇 구조를 예시하는 다이어그램이다. 베인 형은 핀(fin)-유사 구조를 가진 중앙 코어를 가질 수 있다. 베인-형 구조(1101)는 자기 소자로부터 인가된 자기 토크로 회전할 수 있으며, 자기 소자를 사용하여 힘을 인가함으로써 일정 속도로 전진할 수 있다. 이러한 회전에 의해 국소적 유체 전단 응력이 생성되고 튜브(1102)의 곡면을 스크럽할 수 있다. 베인-형의 구조가 앞으로 이동함에 따라 곡면을 휩쓸어 바이오필름 잔해를 스크랩하고 옮긴다. 옮겨진 바이오필름 잔해는 물로 씻어 튜브로부터 제거할 수 있는 파일(pile; 1103)을 형성한다.
도 12는 개시된 주제의 일 실시예에 따른 원통형 튜브에서 바이오필름 막힘을 관통하는 이중 나선-형 소프트 로봇 구조를 예시하는 다이어그램이다. 이중 나선 형에는 중심축을 감싸는 두 개의 나선이 있을 수 있다. 이중 나선-형 구조(1201)의 키랄 기하학적 형상에 의해, 이는 자기 소자로부터 인가된 자기 토크로 앞으로 이동할 수 있고, 이로써 코르크스크류형 방식(1202)으로 이 구조를 추진할 수 있다. 이러한 움직임으로 인해, 이중 나선-형 구조는 바이오필름 폐색(1203)을 관통하고 벽에서 바이오필름을 제거할 수 있다. 이 구조물이 전진함에 따라, 이는 물로 씻어내어 튜브에서 제거할 수 있는 파일을 형성한다.
도 13a-13c는 개시된 주제의 일 실시예에 따라 치아 관에서 바이오필름을 처리하기 위해 바이오하이브리드 로봇을 사용하는 예를 도시한다. 특히, 도 13a 및 13b는 치아 관의 단면도를 도시한다. 도 13a에서, 산화철 나노입자는 두 근 관(root canals) 사이의 폭이 약 200 ~ 600 마이크로미터로 좁은 협부인, 지협부로 투입되고, 바이오하이브리드 로봇으로의 조립을 위해 작동될 수 있는데, 이는 지협부 전체 범위를 가로지르며 한 끝에서 다른 끝으로 이동할 수 있다. 도 13b에서 도시된 바와 같이, 산화철 나노입자로 만들어진 이중 나선-형의 소프트 로봇 구조는 또한 치아 관의 범위에 걸쳐 자기적으로 제어될 수 있다(도 13b). 도 13a는 치아 관의 길이 방향 단면을 보여준다. t = 0s에서, 바이오하이브리드 로봇은 근 관 중 하나에 있다. t = l1.5s에서 바이오하이브리드 로봇은 지협부를 통과한다. t=14.5s 에서 바이오하이브리드 로봇은 다른 근 관에 도달한다. 도 13b는 치아 관의 위도방향 단면을 도시한다. t = 0s에서 이중 나선-형의 소프트 로봇은 치아 관의 상단에 있다. 그 다음, 바이오하이브리드 로봇은 t = 17.7s에서 치아 관 바닥에 도달할 때까지 치아 관 아래로 이동한다. 도 13c는 처리 전후에 나타난 바와 같이 바이오하이브리드 로봇에 의한 지협부에서의 바이오필름의 박멸을 도시한다. 바이오필름은 시각화를 위해 형광라벨되었다.
보다 일반적으로, 본원에 개시된 기술은 치아 및 점막 표면과 같은 생물 표면뿐만 아니라 이식된 의료 기기 및 카테터와 같은 비생물 표면, 또는 내시경 및 캐뉼라(cannulas/cannulae)를 포함하는 수술기구에서 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아를 박멸하고, 매트릭스를 분해하며, 바이오필름 잔해를 제거하여 환자의 감염 및 의학적 합병증을 예방하는데 적용될 수 있다. 더 나아가, 개시된 기술은 인공 수중 시스템(예: 냉각탑, 수영장, 수족관 및 스파), 유리/플라스틱 표면(창문, 식품 포장, 파이프 내부, 수로 및 기타 밀폐된 표면 포함)과 같은 자연 및 산업 환경에서 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아를 박멸하고, 매트릭스를 분해하며, 바이오필름 잔해를 제거하는 데에도 적용될 수 있다.
전술한 사항은 단지 본원발명의 개시된 주제의 원리를 예시하는 것이다. 설명된 실시예에 대한 다양한 수정 및 변경은 본 명세서의 교시 내용을 고려하여 당업자에게 명백할 것이다. 따라서, 당업자는 본 명세서에 명시적으로 설명되지는 않았지만 개시된 주제의 원리를 구현하고 그 발명의 사항 및 범위 내에 있는 수많은 기술을 고안할 수 있다는 것을 이해할 것이다.
101: 산화철 나노입자; 102: 박테리아;
103: 바이오필름 매트릭스; 104: 자기적 활성화;
501: 산화철 나노입자; 502: 바이오하이브리드 로봇;
503: 소프트 로봇 구조; 504: 베인-형; 505: 이중 나선-형;
1101: 베인-형 구조; 1102: 튜브; 1103: 파일
1201: 이중 나선-형 구조

Claims (25)

  1. 박테리아를 포함하는 바이오필름에 H2O2 및 산화철 나노입자의 현탁액을 투여하는 단계로서, 상기 현탁액은 박테리아를 실질적으로 박멸하고 바이오필름 매트릭스를 분해하도록 조정되는 단계;
    박테리아 박멸 및 매트릭스 분해로 인한 바이오필름 잔해 제거에 적합한 바이오하이브리드 로봇으로의 조립을 위해 산화철 나노입자를 작동시키는 단계; 및
    표면으로부터 바이오필름 잔해를 제거하기 위해 바이오하이브리드 로봇을 이동시키는 단계
    를 포함하는, 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아 박멸, 매트릭스 분해 및 바이오필름 제거 방법.
  2. 제1항에 있어서, 현탁액이 50% 글리세롤 1 밀리리터당 500 내지 5000 마이크로그램의 산화철 나노입자를 포함하는, 방법.
  3. 제2항에 있어서, 현탁액이 바이오필름 매트릭스를 분해하도록 구성된 하나 이상의 효소를 포함하는, 방법.
  4. 제3항에 있어서, 하나 이상의 효소가 뮤타나제, 덱스트라나제, DNase, 프로테아제, 리파제, 아밀로글루코시다이드, 글루코스 옥시다제, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  5. 제2항에 있어서, 현탁액이 1% H2O2 및 1.75U/8.75U 뮤타나제/덱스트라나제를 포함하는, 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 작동시키는 단계는 자기장을 인가하여 산화철 나노입자를 작동시켜 바이오하이브리드 로봇으로 조립하는 것을 포함하는, 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 이동시키는 단계는 자기장을 인가하여 상기 바이오하이브리드 로봇을 이동시키는 단계를 포함하는, 방법.
  8. 박테리아를 실질적으로 박멸하고 바이오필름 매트릭스를 분해하도록 구성된 H2O2 및 산화철 나노입자의 현탁액; 및
    박테리아 박멸 및 매트릭스 분해로 인한 바이오필름 잔해 제거에 적합한 바이오하이브리드 로봇으로의 조립을 위해 산화철 나노입자를 작동시키는 자기 소자
    를 포함하는, 바이오필름 매트릭스 내의 박테리아 박멸, 매트릭스 분해 및 바이오필름 제거를 위한 시스템.
  9. 제8항에 있어서, 현탁액이 50% 글리세롤 1 밀리리터당 2000 마이크로그램의 산화철 나노입자를 포함하는, 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 현탁액이 바이오필름 매트릭스를 분해하도록 조정된 하나의 효소를 포함하는, 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 하나 이상의 효소는 뮤타나제 및 덱스트라나제를 포함하는, 시스템.
  12. 제9항에 있어서, 현탁액이 1% H2O2 및 1.75U/8.75U 뮤타나제/덱스트라나제를 포함하는, 시스템.
  13. 제8항에 있어서, 상기 자기 소자는 상기 바이오필름에 자기장을 인가하여 산화철 나노입자를 작동시켜 바이오하이브리드 로봇으로 조립하도록 구성되는 영구 자석 또는 전자석 어레이 중 적어도 하나를 포함하는, 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 영구 자석은 바이오필름 매트릭스로부터 바이오필름 잔해를 제거하도록 구성된 바이오하이브리드 로봇을 이동시키는, 시스템.
  15. 소프트 로봇 구조를 형성하도록 하이드로겔에 산화철 나노입자를 임베딩하는 단계;
    소프트 로봇 구조를 바이오필름으로 덮인 표면에 투여하는 단계; 및
    소프트 로봇 구조를 자화시키는 단계로서, 상기 소프트 로봇 구조가 실질적으로 박테리아를 박멸하고, 바이오필름 매트릭스를 분해하며, 바이오필름 박멸에 의해 생성된 바이오필름 잔해를 제거하도록 구성되는 단계
    를 포함하는,
    바이오필름 매트릭스 내의 박테리아 박멸, 매트릭스 분해 및 바이오필름 제거 방법.
  16. 제15항에 있어서, 하이드로겔이 자극-반응성 중합체인, 방법.
  17. 제16항에 있어서, 상기 소프트 로봇 구조는 한천 부피 기준으로 3중량% 및 산화철 나노입자 부피 기준으로 10중량%인, 방법.
  18. 제15항에 있어서, 소프트 로봇 구조는 자기장 방향으로 재정렬하도록 구성되고, 그 단축을 따라 자화되는, 방법.
  19. 제18항에 있어서, 소프트 로봇 구조가 베인-형(vane-shape)이고, 밀폐된 표면의 벽으로부터 바이오필름 잔해를 긁어 내고 옮기도록 구성되는, 방법.
  20. 제18항에 있어서, 소프트 로봇 구조는 이중 나선-형이고, 바이오필름 폐색을 관통하고 벽으로부터 바이오필름을 제거하도록 구성되는, 방법.
  21. 제1항에 있어서, H2O2 및 산화철 나노입자의 현탁액이 근관치료 소독 또는 바이오필름 제거를 위해 치아 관에 투여되는, 방법.
  22. 제21항에 있어서, 바이오하이브리드 로봇이 지협부를 통해 이동하여 바이오필름을 파괴하고 바이오필름 잔해를 제거하도록 구성되는, 방법.
  23. 제14항에 있어서, H2O2 및 산화철 나노입자의 현탁액이 근관치료 소독 또는 바이오필름 제거를 위해 치아 관에 투여되는, 시스템.
  24. 제21항에 있어서, 바이오하이브리드 로봇이 지협부를 통해 이동하여 바이오필름을 파괴하고 바이오필름 잔해를 제거하도록 구성되는, 시스템.
  25. 제20항에 있어서, 근관치료 소독 또는 바이오필름 제거를 위해 치아 관을 가로 질러 소프트 로봇 구조를 이동시키는 단계를 추가로 포함하는, 방법.
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