Dodano: 12 lipca 2022r.

Zmiennokształtne mikroroboty wyręczą nas w myciu i nitkowaniu zębów

Zmieniające kształt roje mikrorobotów mogą pewnego dnia pełnić funkcję szczoteczki do zębów, płynu do płukania jamy ustnej i nici dentystycznej w jednym. Technologia opracowana przez zespół z Uniwersytetu Pensylwanii ma szansę zaoferować nowy, zautomatyzowany sposób wykonywania prozaicznych, ale jakże ważnych codziennych czynności, jakimi są szczotkowanie i nitkowanie zębów. Jest to system, który może być szczególnie cenny dla tych, którym brakuje sprawności manualnej, aby móc samodzielnie skutecznie czyścić zęby.

Zmiennokształtne mikroroboty wyręczą nas w myciu i nitkowaniu zębów

 

Mikroroboty są zbudowane z nanocząstek tlenku żelaza, które wykazują zarówno aktywność katalityczną, jak i magnetyczną. Używając pola magnetycznego, badacze mogą kierować ich ruchem i kształtem tak, aby tworzyły albo struktury przypominające szczoteczkę czyszczącą, albo wydłużone sznurki, które mogą wślizgnąć się między zęby jak nić dentystyczna. W obu przypadkach reakcja katalityczna napędza nanocząstki do produkcji środków bakteriobójczych.

Eksperymenty z wykorzystaniem nowego systemu na ludzkich zębach wykazały, że roje robotów mogą dopasować się do różnych kształtów, aby skutecznie eliminować bakterie tworzące biofilmy, które prowadzą do ubytków i chorób dziąseł.

Wynalazek opisano w czasopiśmie „ACS Nano” (DOI: 10.1021/acsnano.2c01950).

Zaskakujące kształtowanie nanocząstek

- Rutynowa pielęgnacja jamy ustnej jest uciążliwa i może stanowić wyzwanie dla wielu osób, zwłaszcza tych, które mają trudności z czyszczeniem zębów – mówi współautor badań prof. Hyun Koo, specjalista w dziedzinie ortodoncji w Community Oral Health i Pediatric Dentistry w Penn's School of Dental Medicine. - Musimy szczotkować zęby, nitkować je, a następnie płukać usta. Jest to ręczny, wieloetapowy proces. Dużą innowacją jest to, że system robotyczny może wykonać wszystkie trzy czynności w jeden, zautomatyzowany sposób i to bez użycia rąk – tłumaczy badacz.

- Nanocząstki mogą być kształtowane i kontrolowane za pomocą pól magnetycznych w zaskakujący sposób - mówi współautor badań Edward Steager z Penn's School of Engineering and Applied Science. - Tworzymy szczeciny, które mogą się rozciągać, zamiatać, a nawet przenosić tam i z powrotem w przestrzeni, bardzo podobnie jak w przypadku nitkowania. System można zaprogramować tak, aby automatycznie ustawiał kształt nanocząstek i kontrolował ich ruch – wyjaśnia.

- Konstrukcja szczoteczki do zębów pozostała stosunkowo niezmieniona przez tysiąclecia - mówi Koo. Teraz może się to zmienić.

Dwa różne podejścia, jeden efekt

Grupy badawcze zarówno w Penn Dental Medicine jak i Penn Engineering były zainteresowane nanocząstkami tlenku żelaza, ale z odmiennych powodów. Koo zaintrygowała aktywność katalityczna nanocząstek. Mogą one aktywować nadtlenek wodoru, uwalniając wolne rodniki, które mogą zabijać bakterie powodujące próchnicę zębów. W międzyczasie Steager i jego koledzy inżynierowie badali te same nanocząstki jako elementy konstrukcyjne mikrorobotów sterowanych magnetycznie.

Teraz te dwa zastosowania ujęto w jednej pracy, konstruując platformę do elektromagnetycznego sterowania mikrorobotami, umożliwiając im przyjmowanie różnych kształtów i uwalnianie środków przeciwbakteryjnych, aby skutecznie leczyć i czyścić zęby.

- Nie ma znaczenia, czy mamy proste zęby, czy źle ustawione, nasz wynalazek dostosuje się do różnych powierzchni - mówi Koo. - System może dotrzeć do wszystkich zakamarków w jamie ustnej – dodaje.

Przebieg badań

Naukowcy zoptymalizowali ruchy mikrorobotów na małej płytce materiału przypominającego zęby. Następnie przetestowali ich wydajność do złożonej topografii powierzchni zęba, powierzchni międzyzębowych i linii dziąseł, wykorzystując modele zębów. W końcu wypróbowali mikroroboty na prawdziwych ludzkich zębach, które zostały zamontowane w taki sposób, aby naśladować pozycję zębów w jamie ustnej.

Na tych różnych powierzchniach badacze odkryli, że system mikrorobotów może skutecznie eliminować bakterie, oczyszczając je ze wszystkich wykrywalnych patogenów. Nanocząstki tlenku żelaza zostały zatwierdzone już przez organy regulacyjne do innych zastosowań, a testy na zwierzętach wykazały, że nie szkodziły one tkance dziąseł.

Cały system jest w pełni programowalny. Robotycy i inżynierowie zespołu wykorzystali zmiany w polu magnetycznym, aby precyzyjnie dostroić ruchy mikrorobotów, a także kontrolować sztywność i długość wytworzonych struktur.

Jak twierdzą badacze, dzięki możliwości dostosowania systemu do indywidualnych potrzeb, może on być wystarczająco delikatny do użytku klinicznego, ale także spersonalizowany, zdolny do dostosowania się do unikalnych topografii jamy ustnej pacjenta.

Aktualnie zespół z Penn kontynuuje optymalizację ruchów robotów i rozważa różne sposoby dostarczania ich przez urządzenia dopasowane do jamy ustnej.

 

Źródło: University of Pennsylvania, fot. RawPixel/ CC0