Роботизированный микророй, меняющий форму, может однажды действовать как зубная щетка, ополаскиватель и зубная нить в одном флаконе. Технология, разработанная междисциплинарной командой из Пенсильванского университета, предлагает новый и автоматизированный способ выполнения рутинных, но критически важных ежедневных задач по чистке зубов щеткой и зубной нитью. Эта система может быть особенно ценной для тех, кому не хватает ловкости рук, чтобы самостоятельно эффективно чистить зубы.

Строительными блоками этих микророботов являются наночастицы оксида железа, обладающие как каталитической, так и магнитной активностью. Используя магнитное поле , исследователи могли управлять их движением и конфигурацией, чтобы сформировать либо щетиноподобные структуры, которые сметают зубной налет с широких поверхностей зубов , либо удлиненные нити, которые могут скользить между зубами, как нить. В обоих случаях каталитическая реакция заставляет наночастицы производить противомикробные препараты, которые убивают вредные бактерии полости рта на месте.

Эксперименты с использованием этой системы на имитационных и настоящих человеческих зубах показали, что роботизированные сборки могут принимать различные формы, почти устраняя липкие биопленки, которые приводят к кариесу и заболеваниям десен. Команда Penn поделилась своими выводами, подтверждающими концепцию роботизированной системы, в журнале ACS Nano.

«Обычный уход за полостью рта утомителен и может создавать проблемы для многих людей, особенно для тех, кому трудно чистить зубы», — говорит Хюн (Мишель) Ку, профессор кафедры ортодонтии и отделений общественной гигиены полости рта и детской стоматологии в школе Пенна. стоматологической медицины и соавтора исследования. «Вы должны чистить зубы, затем чистить зубы зубной нитью, затем полоскать рот; это ручной многоэтапный процесс. Большая инновация здесь заключается в том, что роботизированная система может выполнять все три действия одним автоматическим способом без помощи рук. .»

«Наночастицам можно придавать форму и управлять ими с помощью магнитных полей удивительным образом», — говорит Эдвард Стигер, старший научный сотрудник Школы инженерии и прикладных наук Университета Пенна и соавтор. «Мы формируем щетинки, которые могут удлиняться, подметать и даже перемещаться взад и вперед по пространству, как зубная нить. Принцип работы аналогичен тому, как робот-манипулятор может протянуть руку и очистить поверхность. Систему можно запрограммировать на выполнение таких действий. сборка наночастиц и управление движением автоматически».

Нарушение технологии ухода за полостью рта

«Конструкция зубной щетки оставалась относительно неизменной на протяжении тысячелетий, — говорит Ку.

Хотя добавление электродвигателей повысило базовый формат «щетина на палочке», основная концепция осталась прежней. «Это технология, которая не менялась десятилетиями».

Несколько лет назад исследователи Пенна из Центра инноваций и точной стоматологии (CiPD), содиректором которого является Ку, предприняли шаги к серьезному прорыву, используя эту систему микророботов.

Их новаторство возникло из некоторой интуиции. Исследовательские группы Penn Dental Medicine и Penn Engineering интересовались наночастицами оксида железа, но по совершенно разным причинам. Группа Ку была заинтригована каталитической активностью наночастиц. Они могут активировать перекись водорода для высвобождения свободных радикалов, которые могут убивать бактерии, вызывающие кариес, и разрушать биопленки зубного налета . Тем временем Стигер и его коллеги-инженеры, включая декана Виджая Кумара и профессора Кэтлин Стебе, содиректора CiPD, изучали эти наночастицы в качестве строительных блоков магнитно-управляемых микророботов .

При поддержке Penn Health Tech и Национального института стоматологических и черепно-лицевых исследований при Национальном институте здравоохранения сотрудники Penn объединили два приложения в текущей работе, создав платформу для электромагнитного управления микророботами, позволяющую им принимать различные конфигурации и выпускать противомикробные препараты. на месте для эффективного лечения и чистки зубов.

«Неважно, ровные у вас зубы или неровные, они адаптируются к разным поверхностям», — говорит Ку. «Система может приспособиться ко всем уголкам и закоулкам в ротовой полости».

Исследователи оптимизировали движения микророботов на небольшой пластине зубчатого материала. Затем они протестировали работу микророботов, приспосабливающихся к сложной топографии поверхности зубов, межзубных поверхностей и линии десен, используя модели зубов, напечатанные на 3D-принтере на основе сканов человеческих зубов из стоматологической клиники. Наконец, они испытали микророботов на настоящих человеческих зубах, которые были установлены таким образом, чтобы имитировать положение зубов в ротовой полости.

На этих различных поверхностях исследователи обнаружили, что система микророботов может эффективно устранять биопленки, очищая их от всех обнаруживаемых патогенов. Наночастицы оксида железа были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для других целей, а испытания форм щетинок на животных моделях показали, что они не повреждают ткань десны.

Действительно, система полностью программируема; робототехники и инженеры команды использовали изменения в магнитном поле , чтобы точно настроить движения микророботов, а также контролировать жесткость и длину щетинок. Исследователи обнаружили, что кончики щетинок можно сделать достаточно твердыми, чтобы удалять биопленки, но достаточно мягкими, чтобы не повредить десны.

По словам исследователей, настраиваемый характер системы может сделать ее достаточно щадящей для клинического использования, но также и персонализированной, способной адаптироваться к уникальным топографиям ротовой полости пациента.

Чтобы внедрить эту технологию в клинику, команда Пенсильванского университета продолжает оптимизировать движения роботов и рассматривает различные способы доставки микророботов через специальные приспособления для рта.

Они очень хотят, чтобы их устройство помогало пациентам.

«У нас есть технология, которая так же эффективна, как чистка зубов щеткой и зубной нитью, но не требует ловкости рук», — говорит Ку. «Мы бы хотели, чтобы это помогло гериатрическому населению и людям с ограниченными возможностями. Мы считаем, что это изменит существующие методы и значительно улучшит уход за полостью рта».