Shapeshifting mikrorobotter kan børste og tandtråde tænder

En formskiftende robotmikrosværm kan en dag fungere som en tandbørste, skylning og tandtråd i én. Teknologien, der er udviklet af et tværfagligt team ved University of Pennsylvania, er klar til at tilbyde en ny og automatiseret måde at udføre de hverdagsagtige, men kritiske daglige opgaver med børstning og tandtråd. Det er et system, der kan være særligt værdifuldt for dem, der mangler den manuelle fingerfærdighed til selv at rense deres tænder effektivt.

Byggestenene i disse mikrorobotter er jernoxidnanopartikler, der har både katalytisk og magnetisk aktivitet. Ved hjælp af et magnetfelt kunne forskere styre deres bevægelse og konfiguration til at danne enten børstehårlignende strukturer, der fejer tandplak væk fra de brede overflader af tænder, eller aflange strenge, der kan glide mellem tænderne som en tandtråd. I begge tilfælde driver en katalytisk reaktion nanopartiklerne til at producere antimikrobielle stoffer, der dræber skadelige orale bakterier på stedet.

Eksperimenter med dette system på falske og rigtige mennesketænder viste, at robotkonstruktionerne kan tilpasse sig en række forskellige former for næsten at eliminere de klæbrige biofilm, der fører til huller og tandkødssygdomme. Penn-teamet delte deres resultater med at etablere et proof-of-concept for robotsystemet i tidsskriftet ACS Nano .

"Rutinemæssig mundpleje er besværlig og kan udgøre udfordringer for mange mennesker, især dem, der har svært ved at rense deres tænder," siger Hyun (Michel) Koo, professor i afdelingen for ortodonti og afdelinger for Community Oral Health and Pediatric Dentistry i Penn's School of Dental Medicine og medforfatter på undersøgelsen. "Du skal børste dine tænder, derefter bruge tandtråd og derefter skylle munden; det er en manuel proces i flere trin. Den store innovation her er, at robotsystemet kan klare alle tre på en enkelt håndfri, automatiseret måde ."

"Nanopartikler kan formes og kontrolleres med magnetiske felter på overraskende måder," siger Edward Steager, en seniorforsker ved Penn's School of Engineering and Applied Science og med-korresponderende forfatter. "Vi danner børstehår, der kan strække sig, feje og endda overføres frem og tilbage over et rum, ligesom tandtråd. Den måde, det fungerer på, svarer til, hvordan en robotarm kan række ud og rense en overflade. Systemet kan programmeres til at gøre det. nanopartikelsamlingen og bevægelseskontrol automatisk."

Forstyrrelse af mundplejeteknologi

"Tandbørstens design har været relativt uændret i årtusinder," siger Koo.

Mens tilføjelsen af ​​elektriske motorer hævede det grundlæggende "børst-på-en-pind-format", er det grundlæggende koncept forblevet det samme. "Det er en teknologi, der ikke er blevet forstyrret i årtier."

For flere år siden tog Penn-forskere fra Center for Innovation &Precision Dentistry (CiPD), som Koo er meddirektør for, skridt mod en større forstyrrelse ved at bruge dette mikrorobotsystem.

Deres innovation opstod fra en smule serendipity. Forskergrupper i både Penn Dental Medicine og Penn Engineering var interesserede i jernoxidnanopartikler, men af ​​meget forskellige årsager. Koos gruppe var fascineret af nanopartiklernes katalytiske aktivitet. De kan aktivere brintoverilte for at frigive frie radikaler, der kan dræbe bakterier, der forårsager huller i tænderne, og nedbryde dental plaque-biofilm. I mellemtiden udforskede Steager og ingeniørkolleger, herunder dekan Vijay Kumar og professor Kathleen Stebe, meddirektør for CiPD, disse nanopartikler som byggesten i magnetisk styrede mikrorobotter.

Med støtte fra Penn Health Tech og National Institutes of Health's National Institute of Dental and Craniofacial Research giftede Penn-samarbejdspartnerne sig med de to applikationer i det nuværende arbejde og konstruerede en platform til elektromagnetisk styring af mikrorobotterne, hvilket gør dem i stand til at vedtage forskellige konfigurationer og frigive antimikrobielle stoffer. på stedet for effektivt at behandle og rense tænder.

"Det er lige meget, om du har lige tænder eller skæve tænder, det vil tilpasse sig forskellige overflader," siger Koo. "Systemet kan tilpasse sig alle kroge og afkroge i mundhulen."

Forskerne optimerede mikrorobotternes bevægelser på en lille plade af tandlignende materiale. Dernæst testede de mikrorobotternes ydeevne ved at tilpasse sig den komplekse topografi af tandoverfladen, interdentale overflader og tandkødskanten ved hjælp af 3-D-printede tandmodeller baseret på scanninger af menneskelige tænder fra tandklinikken. Til sidst prøvede de mikrorobotterne på rigtige mennesketænder, der var monteret på en sådan måde, at de efterligne tændernes position i mundhulen.

På disse forskellige overflader fandt forskerne ud af, at mikrorobotsystemet effektivt kunne fjerne biofilm og rense dem for alle påviselige patogener. Jernoxid-nanopartiklerne er blevet godkendt af FDA til andre formål, og test af børstehårsformationerne på en dyremodel viste, at de ikke skadede tandkødsvævet.

Faktisk er systemet fuldt programmerbart; holdets robotister og ingeniører brugte variationer i magnetfeltet til præcist at justere mikrorobotternes bevægelser samt kontrollere børstehårens stivhed og længde. Forskerne fandt ud af, at spidserne af børstehårene kunne gøres faste nok til at fjerne biofilm, men bløde nok til at undgå skader på tandkødet.

Systemets tilpasselige karakter, siger forskerne, kunne gøre det skånsomt nok til klinisk brug, men også personligt, i stand til at tilpasse sig de unikke topografier i en patients mundhule.

For at fremme denne teknologi til klinikken fortsætter Penn-teamet med at optimere robotternes bevægelser og overvejer forskellige måder at levere mikrorobotterne gennem mundtilpasningsanordninger.

De er ivrige efter at se deres enhed hjælpe patienterne.

"Vi har denne teknologi, der er lige så eller mere effektiv som at børste og bruge tandtråd, men som ikke kræver manuel fingerfærdighed," siger Koo. "Vi ville elske at se, at dette hjælper den geriatriske befolkning og mennesker med handicap. Vi tror, ​​at det vil forstyrre de nuværende modaliteter og i høj grad fremme oral sundhedspleje." + Udforsk yderligere

Er det nok at børste dine tænder i to minutter? Her er hvad beviserne siger