Dodano: 26 kwiecień 2019r.

Armia mikrorobotów pomoże zadbać o zdrowe zęby

Naukowcy we współpracy z dentystami opracowali mikroskopijną, robotyczną ekipę czyszczącą zęby. Na ekipę składają się dwa typy robotów - jeden przeznaczony do pracy na powierzchniach, a drugi do pracy w ciasnych, trudno dostępnych przestrzeniach. Taka armia malutkich robotów może skutecznie zlikwidować płytkę nazębną i pomóc utrzymać nasze zęby w zdrowiu.

 

Naukowcy z University of Pennsylvania połączyli siły ze stomatologami oraz biologami, by opracować mikroskopijne roboty, które wykorzystują aktywność katalityczną do usuwania biofilmów bakteryjnych. Uczeni tworzyli malutkie roboty z myślą o pomocy ludziom w zachowaniu prawidłowej higieny jamy ustnej, ale robotyczna armia może znaleźć wiele innych zastosowań, jak chociażby utrzymanie rur wodociągowych, cewników czy wenflonów w czystości.

Płytka nazębna lub płytka bakteryjna jest osadem przylegającym ściśle do zębów. Zaczyna się tworzyć kilka chwil po ostatnim szczotkowaniu zębów. Początkowo składa się jedynie z substancji zawartych w ślinie, ale szybko zostaje zasiedlona przez bakterie, które mogą wywoływać próchnicę. W dojrzałej płytce nazębnej około 60-70 proc. to bakterie Lactobacillus i Streptococcus mutans, które odpowiadają za próchnicę zębów.

Rezultaty prac interdyscyplinarnego zespołu ukazały się w piśmie „Science Robotics”.

 

- Skorzystaliśmy z wiedzy mikrobiologów, inżynierów oraz praktyków klinicznych, aby zaprojektować najlepszy możliwy system zwalczania drobnoustrojów. Jest to ważne dla innych działów biomedycznych stojących przed wyzwaniem poradzenia sobie z lekoopornymi biofilmami w zbliżające się erze post-antybiotykowej – powiedział kierujący badaniami Hyun Koo.

Biofilmy to wielokomórkowa struktura bakteryjna, która ma tendencję do łączenia się z różnymi powierzchniami. Struktury te tworzą się wszędzie, nie tylko w naszych ustach w postaci płytki nazębnej, ale także na brudnych naczyniach, skałach, rurach czy sprzęcie chirurgicznym. Krótko mówiąc, wszędzie tam, gdzie spotykają się płyny i mikroorganizmy.

Biofilmów trudno się pozbyć. Nie da się ich usunąć strumieniem wody, nawet pod dużym ciśnieniem. Lepka matryca, która utrzymuje bakterie, zapewnia ochronę przed środkami przeciwbakteryjnymi. Pozostają jedynie opcje mechaniczne, dlatego stomatolodzy spędzają tak dużo czasu na zeskrobywaniu złogów płytki z zębów, co prawdopodobnie jest tak samo zabawne dla nich, jak i dla pacjentów.

- Leczenie biofilmów występujących na zębach wymaga dużej ilości pracy fizycznej, zarówno ze strony konsumenta, jak i profesjonalisty. Mamy nadzieję, że uda nam się udoskonalić ten proces – przyznał Edward Steager, współautor badań.

We wcześniejszych badaniach Koo i jego współpracownicy poczynili spore postępy w rozbijaniu matrycy biofilmu. Jedną ze strategii było zastosowanie nanocząstek zawierających tlenek żelaza, które działają katalitycznie, aktywując nadtlenek wodoru w celu uwolnienia wolnych rodników, które mogą zabijać bakterie i niszczyć biofilmy w ukierunkowany sposób.

Z kolei badacze kierowani przez Steagera pracowali nad platformą robotyczną, która wykorzystywała bardzo podobne nanocząstki tlenku żelaza jako elementy konstrukcyjne dla mikrorobotów. Inżynierowie sterują ruchem tych robotów za pomocą pola magnetycznego, co daje im swobodę poruszania nimi.

Razem zespół zaprojektował, zoptymalizował i przetestował dwa typy systemów robotycznych, które grupa nazywa katalitycznymi robotami przeciwdrobnoustrojowymi, czyli CAR (catalytic antimicrobial robots). Oba systemy zdolne są do degradacji i usuwania biofilmów. Działanie pierwszego z nich polega na zawieszeniu nanoczęstek tlenku żelaza w roztworze, który następnie może być sterowany z pomocą pola magnetycznego, aby usunąć biofilmy na powierzchniach w sposób podobny do pługa. Drugi rodzaj robotów osadza nanocząstki w formach żelowych i czyści z biofilmów trudno dostępne miejsca.

Oba rodzaje CAR skutecznie zabijają bakterie, niszczą otaczającą je matrycę i z dużą precyzją usuwają zanieczyszczenia. Po przetestowaniu robotów na biofilmach rosnących na płaskiej powierzchni szklanej lub w zamkniętych szklanych probówkach, naukowcy wypróbowali bardziej istotne klinicznie zastosowanie: usuwanie biofilmu z trudno dostępnych części ludzkiego zęba. Roboty CAR były w stanie degradować i usuwać biofilmy bakteryjne nie tylko z powierzchni zęba, ale także z trudno dostępnych cieśni międzykanałowych, gdzie powszechnie powstają biofilmy.

- Istniejące zabiegi na biofilmy są nieskuteczne, ponieważ nie są w stanie jednocześnie degradować matrycy ochronnej i zabijać osadzonych tam bakterii. Nasze roboty mogą wykonywać wszystkie te czynności jednocześnie i to bardzo skutecznie. Nie pozostawiają żadnych śladów biofilmu – wyjaśnił Koo.

- Myślimy o robotach jako automatycznych systemach, które podejmują działania w oparciu o aktywnie zebrane informacje - mówi Steager. - W tym przypadku ruch robota może być dostosowany do obrazów biofilmu zebranych przez mikrokamery lub przez inne sposoby obrazowania medycznego - dodał.

 

Źródło: University of Pennsylvania, fot. Geelsu Hwang and Edward Steager/University of Pennsylvania. Na zdjęciu pokazany jest efekt działania mikrorobotów usuwających biofilm ze szklanej płytki.