Zmiennokształtny mikrorój robota może pewnego dnia działać jak szczoteczka do zębów, płukanka i nić dentystyczna w jednym. Technologia, opracowana przez multidyscyplinarny zespół z University of Pennsylvania, może zaoferować nowy, zautomatyzowany sposób wykonywania przyziemnych, ale krytycznych codziennych zadań związanych ze szczotkowaniem i nitkowaniem zębów. Jest to system, który może być szczególnie cenny dla osób, którym brakuje sprawności manualnej, aby samemu skutecznie czyścić zęby.
Elementami budulcowymi tych mikrorobotów są nanocząsteczki tlenku żelaza, które mają zarówno aktywność katalityczną, jak i magnetyczną. Korzystając z pola magnetycznego, naukowcy mogli kierować ich ruchem i konfiguracją, aby utworzyć struktury przypominające włosie, które usuwają płytkę nazębną z szerokich powierzchni zębów, lub wydłużone struny, które mogą przesuwać się między zębami jak nici dentystyczne. W obu przypadkach reakcja katalityczna powoduje, że nanocząstki wytwarzają środki przeciwdrobnoustrojowe, które zabijają szkodliwe bakterie jamy ustnej na miejscu.
Eksperymenty z użyciem tego systemu na próbnych i prawdziwych ludzkich zębach wykazały, że zespoły robotów mogą dostosowywać się do różnych kształtów, prawie eliminując lepkie biofilmy, które prowadzą do próchnicy i chorób dziąseł. Zespół z Penn podzielił się swoimi odkryciami, przygotowując weryfikację koncepcji systemu robotycznego w czasopiśmie ACS Nano.
„Rutynowa pielęgnacja jamy ustnej jest uciążliwa i może stanowić wyzwanie dla wielu osób, zwłaszcza tych, którzy mają trudności z czyszczeniem zębów” – mówi Hyun (Michel) Koo, profesor na Wydziale Ortodoncji i wydziałach Community Oral Health and Pediatric Dentistry w Penn’s School stomatologa i współautor korespondencyjny badania. „Musisz umyć zęby, następnie nitkować zęby, a następnie wypłukać usta; jest to ręczny, wieloetapowy proces. Wielką innowacją jest to, że system robotyki może wykonać wszystkie trzy czynności w jeden, bez użycia rąk, zautomatyzowany sposób ”.
„Nanocząstki można kształtować i kontrolować za pomocą pól magnetycznych w zaskakujący sposób” – mówi Edward Steager, starszy badacz w Penn’s School of Engineering and Applied Science i współautor korespondencyjny. „Tworzymy włosie, które może rozciągać się, przesuwać, a nawet przenosić w tę i z powrotem w przestrzeni, podobnie jak nici dentystyczne. Sposób, w jaki działa, jest podobny do tego, jak ramię robota może sięgać i czyścić powierzchnię. System można zaprogramować do działania montaż nanocząstek i sterowanie ruchem automatycznie.”
Przerwanie technologii pielęgnacji jamy ustnej
„Konstrukcja szczoteczki do zębów pozostała względnie niezmieniona od tysiącleci” – mówi Koo.
Chociaż dodanie silników elektrycznych podniosło podstawowy format „włosia na patyku”, podstawowa koncepcja pozostała taka sama. „To technologia, która nie została zakłócona od dziesięcioleci”.
Kilka lat temu naukowcy z Penn z Centrum Innowacji i Stomatologii Precyzyjnej (CiPD), którego Koo jest współdyrektorem, podjęli kroki w kierunku poważnego zakłócenia, używając tego systemu mikrorobotycznego.
Ich innowacja zrodziła się z odrobiny zbiegu okoliczności. Grupy badawcze w Penn Dental Medicine i Penn Engineering były zainteresowane nanocząstkami tlenku żelaza, ale z zupełnie innych powodów. Grupa Koo była zaintrygowana katalityczną aktywnością nanocząstek. Mogą aktywować nadtlenek wodoru, aby uwolnić wolne rodniki, które mogą zabijać bakterie powodujące próchnicę i degradować biofilm płytki nazębnej. W międzyczasie Steager i koledzy inżynierowie, w tym Dean Vijay Kumar i profesor Kathleen Stebe, współdyrektor CiPD, badali te nanocząstki jako elementy budulcowe mikrorobotów sterowanych magnetycznie.
Przy wsparciu Penn Health Tech i National Institutes of Health National Institute of Dental and Craniofacial Research współpracownicy Penn połączyli te dwie aplikacje w bieżących pracach, tworząc platformę do elektromagnetycznego sterowania mikrorobotami, umożliwiającą im przyjmowanie różnych konfiguracji i uwalnianie środków przeciwdrobnoustrojowych na miejscu, aby skutecznie leczyć i czyścić zęby.
„Nie ma znaczenia, czy masz proste zęby, czy nierówne zęby, dostosuje się do różnych powierzchni” – mówi Koo. “System może dostosować się do wszystkich zakamarków jamy ustnej.”
Naukowcy zoptymalizowali ruchy mikrorobotów na małej płycie z materiału przypominającego zęby. Następnie przetestowali wydajność mikrorobotów, dostosowując się do złożonej topografii powierzchni zęba, powierzchni międzyzębowych i linii dziąseł, używając wydrukowanych w 3D modeli zębów opartych na skanach ludzkich zębów z kliniki dentystycznej. Na koniec przetestowali mikroroboty na prawdziwych ludzkich zębach, które zostały zamontowane w taki sposób, aby naśladować położenie zębów w jamie ustnej.
Na tych różnych powierzchniach naukowcy odkryli, że system mikrorobotyczny może skutecznie eliminować biofilmy, usuwając je ze wszystkich wykrywalnych patogenów. Nanocząsteczki tlenku żelaza zostały zatwierdzone przez FDA do innych zastosowań, a testy formacji włosia na modelu zwierzęcym wykazały, że nie uszkadzają one tkanki dziąsła.
Rzeczywiście, system jest w pełni programowalny; Robotycy i inżynierowie zespołu wykorzystali zmiany pola magnetycznego, aby precyzyjnie dostroić ruchy mikrorobotów, a także kontrolować sztywność i długość włosia. Naukowcy odkryli, że końcówki włosia mogą być wystarczająco twarde, aby usunąć biofilm, ale wystarczająco miękkie, aby uniknąć uszkodzenia dziąseł.
Konfigurowalny charakter systemu, jak twierdzą naukowcy, może sprawić, że będzie on wystarczająco delikatny do użytku klinicznego, ale także spersonalizowany, zdolny do dostosowania się do unikalnej topografii jamy ustnej pacjenta.
Aby wprowadzić tę technologię do kliniki, zespół z Penn kontynuuje optymalizację ruchów robotów i rozważa różne sposoby dostarczania mikrorobotów za pomocą urządzeń dopasowujących się do ust.
Chętnie zobaczą, jak ich urządzenie pomaga pacjentom.
„Mamy tę technologię, która jest tak samo lub bardziej skuteczna jak mycie i nitkowanie zębów, ale nie wymaga zręczności manualnej” – mówi Koo. „Chcielibyśmy, aby to pomagało populacji geriatrycznej i osobom niepełnosprawnym. Wierzymy, że zakłóci to obecne modalności i znacznie poprawi opiekę zdrowotną jamy ustnej”.
Hyun (Michel) Koo jest profesorem na Wydziale Ortodoncji i oddziałach Community Oral Health and Pediatric Dentistry w School of Dental Medicine oraz współdyrektorem Center for Innovation & Precision Dentistry na Uniwersytecie Pensylwanii.
Edward Steager jest starszym badaczem w Penn’s School of Engineering and Applied Science.
Współautorami artykułu Koo i Steagera są Min Jun Oh z Penn Dental Medicine, Alaa Babeer, Yuan Liu i Jingyu Wu z Zhi Ren i Penn Engineering, David A. Issadore, Kathleen J. Stebe i Daeyeon Lee.
Praca ta była częściowo wspierana przez Narodowy Instytut Badań Stomatologicznych i Twarzoczaszki (dotacje DE025848 i DE029985), Procter & Gamble oraz Program Badań Podoktoranckich Uniwersytetu Sungkyunkwan.