每年放置超过 1 亿根导尿管，这些装置可以挽救生命，尤其是在手术后。但许多使用导尿管的人——发展中国家约四分之一，美国约八分之一的用户——会发生导管相关尿路感染 (CAUTI)，通常是由管内细菌积聚引起的。
在人工智能的帮助下，研究人员现在设计出一种新型导管，他们表示该导管可以将细菌污染减少高达两个数量级——无需抗生素。它的内部布满了三维几何形状，有助于防止细菌获得牵引力并到达膀胱。
“在普通的导管中，内部没有物理形状，”计算机科学家、发表在《科学进展》上的新研究的合著者阿尼玛什里·阿南德库马尔说。这为细菌从外部向上移动并在内表面定植留下了一条平坦的通道。当菌落在膀胱附近的导管中积聚时，它们可以进入尿道并导致 CAUTI。
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过去，医生有时会在导管内壁涂上抗生素药物或金属制剂（如银）来杀死细菌。但这些方法可能很昂贵，并且随着抗生素耐药性细菌变得越来越普遍而变得越来越无效。新装置不依赖于专门的涂层来排斥微生物；简单的几何形状就足以解决问题。一系列微小的 3D 打印脊状物（形状像尖锐的三角形）排列在导管内部，形成细菌的一种障碍赛。当微生物试图逆流而上时，它们会碰撞并翻滚到脊状物中，最终停止或弹回。研究人员表示，这种设计可能有助于减少昂贵且不必要的抗生素，并延长导管的使用时间。
图片来源：阿曼达·蒙塔内斯；来源： Tingtao Zhou 等人在《科学进展》上发表的“人工智能辅助的抗感染导管几何设计”。在线发表于 2024 年 1 月 3 日
为了找到完美的细菌排斥迷宫，阿南德库马尔和她的团队使用人工智能快速运行数字建模导管，进行了数万次模拟。一旦他们确定了在计算机模型中多种情况下最能阻挡虚拟细菌的设计，他们就 3D 打印了一个原型，并在实验室中用含有大肠杆菌细菌的培养液对其进行了测试。24 小时后，实验装置中积聚的细菌菌落数量不到研究人员 3D 打印并同时测试的传统导管中的百分之一。
克利夫兰诊所泌尿科医生格伦·韦内伯格（未参与这项研究）表示：“这些是非常令人兴奋的结果。” 他指出，新型导管目前已优化为可抵抗大肠杆菌——CAUTI 最常见的微生物之一——但也已知其他物种会在导管中定植并引起感染。“导管上的细菌以生物膜的形式存在，我们知道不同种类的细菌行为方式不同，”韦内伯格说。他补充说，理想情况下，改进的未来设计应该对其他微生物（如肠球菌和变形杆菌）也无法侵入。阿南德库马尔对此表示赞同，她说，准确地建模此类设计可能需要进一步研究以及更多关于这些微生物特性的数据。科学家们还需要在临床环境中测试他们的人工智能建模设计，然后才能广泛生产。
阿南德库马尔说，这种建模在导管之外具有巨大的潜力：她希望利用人工智能来帮助设计药物、节能飞机螺旋桨等等。“对我来说，”她说，“这仅仅是个开始。”