Zmiennokształtny mikrorobot może pewnego dnia działać, jako 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 bardzo ważnych codziennych zadań związanych z higieną jamy ustnej. 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 usuwa 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.
Eksperymenty z wykorzystaniem tego systemu na pozorowanych 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 Department of Orthodontics and divisions of Community Oral Health and Pediatric Dentistry in Penn's School of Dental Medicine. - Musisz umyć zęby, następnie nitkować zęby i wypłukać usta; jest to ręczny, wieloetapowy proces. Wielką innowacją jest to, że system robotyki może wykonać wszystkie trzy czynności bez użycia rąk, zautomatyzowany sposób – dodaje.
- 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. - 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 - automatyczne sterowanie ruchem – dodaje.
- 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 Center for Innovation & Precision Dentistry (CiPD), którego Koo jest współdyrektorem, podjęli kroki w kierunku poważnych zmian struktury szczoteczki, używając tego systemu mikrorobotycznego.
Ich innowacja zrodziła się z odrobiny zbiegu okoliczności. Grupy badawcze w Penn Dental Medicine and 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 inżynierowie, w tym Dean Vijay Kumar i profesor Kathleen Stebe, współdyrektor CiPD, badali te nanocząsteczki jako elementy budulcowe mikrorobotów sterowanych magnetycznie.
Przy wsparciu Penn Health Tech and the National Institutes of Health's 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, aby skutecznie leczyć i czyścić zęby.
- Nie ma znaczenia, czy masz proste zęby, czy nierówne zęby, system dostosuje się do różnych powierzchni, do wszystkich zakamarków jamy ustnej – mówi Koo. 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 do ust.
- Mamy tę technologię, która jest tak samo lub bardziej skuteczna jak mycie i nitkowanie zębów, ale nie wymaga zręczności manualnej. Chcielibyśmy, aby to pomagało populacji geriatrycznej i osobom niepełnosprawnym. Wierzymy, że znacznie poprawi to opiekę zdrowotną jamy ustnej - mówi Koo.
Praca ta była częściowo wspierana przez National Institute for Dental and Craniofacial Research (dotacje DE025848 i DE029985), Procter & Gamble, and the Postdoctoral Research Program of Sungkyunkwan University.
Z treścią całego artykułu można zapoznać się tutaj: Oh MN, Babeer A, Liu Y i wsp. Surface Topography-Adaptive Robotic Superstructures for Biofilm Removal and Pathogen Detection on Human Teeth. ACS Nano. 2022; DOI: 10.1021/acsnano.2c01950.
Źródło: https://www.sciencedaily.com
