每年放置超過 1 億根導尿管，這些裝置可以挽救生命，尤其是在手術後。但許多使用導尿管的人——發展中國家約四分之一，美國約八分之一的使用者——會發生導管相關尿路感染 (CAUTI)，通常是由管內細菌積聚引起的。
在人工智慧的幫助下，研究人員現在設計出一種新型導管，他們表示該導管可以將細菌汙染減少高達兩個數量級——無需抗生素。它的內部佈滿了三維幾何形狀，有助於防止細菌獲得牽引力併到達膀胱。
“在普通的導管中，內部沒有物理形狀，”計算機科學家、發表在《科學進展》上的新研究的合著者阿尼瑪什裡·阿南德庫馬爾說。這為細菌從外部向上移動並在內表面定植留下了一條平坦的通道。當菌落在膀胱附近的導管中積聚時，它們可以進入尿道並導致 CAUTI。
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過去，醫生有時會在導管內壁塗上抗生素藥物或金屬製劑（如銀）來殺死細菌。但這些方法可能很昂貴，並且隨著抗生素耐藥性細菌變得越來越普遍而變得越來越無效。新裝置不依賴於專門的塗層來排斥微生物；簡單的幾何形狀就足以解決問題。一系列微小的 3D 列印脊狀物（形狀像尖銳的三角形）排列在導管內部，形成細菌的一種障礙賽。當微生物試圖逆流而上時，它們會碰撞並翻滾到脊狀物中，最終停止或彈回。研究人員表示，這種設計可能有助於減少昂貴且不必要的抗生素，並延長導管的使用時間。
圖片來源：阿曼達·蒙塔內斯；來源： Tingtao Zhou 等人在《科學進展》上發表的“人工智慧輔助的抗感染導管幾何設計”。線上發表於 2024 年 1 月 3 日
為了找到完美的細菌排斥迷宮，阿南德庫馬爾和她的團隊使用人工智慧快速執行數字建模導管，進行了數萬次模擬。一旦他們確定了在計算機模型中多種情況下最能阻擋虛擬細菌的設計，他們就 3D 列印了一個原型，並在實驗室中用含有大腸桿菌細菌的培養液對其進行了測試。24 小時後，實驗裝置中積聚的細菌菌落數量不到研究人員 3D 列印並同時測試的傳統導管中的百分之一。
克利夫蘭診所泌尿科醫生格倫·韋內伯格（未參與這項研究）表示：“這些是非常令人興奮的結果。” 他指出，新型導管目前已最佳化為可抵抗大腸桿菌——CAUTI 最常見的微生物之一——但也已知其他物種會在導管中定植並引起感染。“導管上的細菌以生物膜的形式存在，我們知道不同種類的細菌行為方式不同，”韋內伯格說。他補充說，理想情況下，改進的未來設計應該對其他微生物（如腸球菌和變形桿菌）也無法侵入。阿南德庫馬爾對此表示贊同，她說，準確地建模此類設計可能需要進一步研究以及更多關於這些微生物特性的資料。科學家們還需要在臨床環境中測試他們的人工智慧建模設計，然後才能廣泛生產。
阿南德庫馬爾說，這種建模在導管之外具有巨大的潛力：她希望利用人工智慧來幫助設計藥物、節能飛機螺旋槳等等。“對我來說，”她說，“這僅僅是個開始。”