En hær af mikrorobotter kan udslette tandplak

tandlægebesøg indebærer typisk tidskrævende og til tider ubehagelige skrabninger med mekaniske værktøjer til at fjerne plak fra tænderne. Hvad hvis, i stedet, en tandlæge kunne indsætte en lille hær af bittesmå robotter til præcist og ikke-invasivt at fjerne denne opbygning?

Et team af ingeniører, tandlæger, og biologer fra University of Pennsylvania udviklede et mikroskopisk robotrengøringshold. Med to typer robotsystemer – det ene designet til at arbejde på overflader og det andet til at fungere i lukkede rum – viste forskerne, at robotter med katalytisk aktivitet kunne ødelægge biofilm, klæbrige sammenlægninger af bakterier indviklet i et beskyttende stillads. Sådanne robotsystemer til fjernelse af biofilm kan være værdifulde i en lang række potentielle anvendelser, fra at holde vandrør og katetre rene til at reducere risikoen for huller i tænderne, endodontiske infektioner, og implantatkontamination.

Arbejdet, udgivet i Videnskab robotik , blev ledet af Hyun (Michel) Koo fra School of Dental Medicine og Edward Steager fra School of Engineering and Applied Science.

"Dette var en virkelig synergistisk og tværfaglig interaktion, " siger Koo. "Vi udnytter ekspertisen hos mikrobiologer og kliniker-videnskabsmænd samt ingeniører til at designe det bedst mulige mikrobielle udryddelsessystem. Dette er vigtigt for andre biomedicinske områder, der står over for lægemiddelresistente biofilm, når vi nærmer os en post-antibiotisk æra."

"Behandling af biofilm, der opstår på tænder, kræver en masse manuelt arbejde, både fra forbrugerens og den professionelles side, " tilføjer Steager. "Vi håber at forbedre behandlingsmulighederne samt reducere vanskeligheden ved pleje."

Biofilm kan opstå på biologiske overflader, på en tand eller i et led eller på genstande, som vandrør, implantater, eller katetre. Uanset hvor der dannes biofilm, de er notorisk svære at fjerne, da den klæbrige matrix, der holder bakterierne, giver beskyttelse mod antimikrobielle midler.

I tidligere arbejde, Koo og kolleger har gjort fremskridt med at nedbryde biofilmmatricen med en række forskellige metoder uden for boksen. En strategi har været at anvende jernoxidholdige nanopartikler, der virker katalytisk, aktiverer hydrogenperoxid for at frigive frie radikaler, der kan dræbe bakterier og ødelægge biofilm på en målrettet måde.

Serendipitalt, Penn Dental Medicine-teamet fandt ud af, at grupper hos Penn Engineering ledet af Steager, Vijay Kumar, og Kathleen Stebe arbejdede med en robotplatform, der brugte meget lignende jernoxid-nanopartikler som byggesten til mikrorobotter. Ingeniørerne styrer bevægelsen af ​​disse robotter ved hjælp af et magnetfelt, tillader en tøjringsfri måde at styre dem på.

Sammen, det tværgående team designet, optimeret, og testede to typer robotsystemer, som gruppen kalder katalytiske antimikrobielle robotter, eller biler, i stand til at nedbryde og fjerne biofilm. Den første involverer suspendering af jernoxidnanopartikler i en opløsning, som derefter kan ledes af magneter til at fjerne biofilm på en overflade på en plovlignende måde. Den anden platform indebærer indlejring af nanopartiklerne i gelforme i tredimensionelle former. Disse blev brugt til at målrette og ødelægge biofilm, der tilstoppede lukkede rør.

Begge typer biler dræbte effektivt bakterier, nedbrød matrixen, der omgiver dem, og fjernede affaldet med høj præcision. Efter at have testet robotterne på biofilm, der vokser på enten en flad glasoverflade eller lukkede glasrør, forskerne prøvede en mere klinisk relevant anvendelse:Fjernelse af biofilm fra svært tilgængelige dele af en menneskelig tand.

CAR'erne var i stand til at nedbryde og fjerne bakterielle biofilm ikke bare fra en tandoverflade, men fra en af ​​de mest vanskeligt tilgængelige dele af en tand, landtangen, en smal korridor mellem rodkanaler, hvor biofilm almindeligvis vokser.

"Eksisterende behandlinger for biofilm er ineffektive, fordi de ikke er i stand til samtidig at nedbryde den beskyttende matrix, dræber de indlejrede bakterier, og fysisk fjernelse af de biologisk nedbrudte produkter, " siger Koo. "Disse robotter kan gøre alle tre på én gang meget effektivt, efterlader ingen spor af biofilm overhovedet."

Ved at pløje de nedbrudte rester af biofilmen væk, Koo siger, chancen for, at det tager fat og vokser igen, falder væsentligt. Forskerne forestiller sig præcist at dirigere disse robotter til, hvor end de skal hen for at fjerne biofilm, det være sig indersiden af ​​en kateter eller en vandlinje eller svært tilgængelige tandflader.

"Vi tænker på robotter som automatiserede systemer, der udfører handlinger baseret på aktivt indsamlet information, " siger Steager. I dette tilfælde, han siger, "robottens bevægelse kan informeres af billeder af biofilmen indsamlet fra mikrokameraer eller andre former for medicinsk billeddannelse."

For at flytte innovationen ned ad vejen til klinisk anvendelse, forskerne modtager støtte fra Penn Center for Health, Enheder, og teknologi, et initiativ støttet af Penn's Perelman School of Medicine, Penn Engineering, og kontoret for viceprost for forskning. Penn Health-Tech, som det er kendt, tildeler udvalgte tværfaglige grupper med støtte til at skabe nye sundhedsteknologier, og robotplatformsprojektet var et af dem, der blev tildelt støtte i 2018.

"Teamet har en stor klinisk baggrund på tandlægesiden og en stor teknisk baggrund på ingeniørsiden, " siger Victoria Berenholz, administrerende direktør for Penn Health-Tech. "Vi hjælper med at runde dem ud ved at forbinde dem med forretningsmentorer og ressourcer i Penn-samfundet for at oversætte deres teknologi. De har virkelig gjort et fantastisk stykke arbejde på projektet."

Ud over Koo, Steager, Stebe, og Kumar, undersøgelsen var medforfatter af førsteforfatter Geelsu Hwang, Amauri J. Paula, Yuan Liu, Alaa Babeer, og Bekir Karabuckak, hele Tandlægeskolen, og Elizabeth E. Hunter fra School of Engineering and Applied Science.