对牙医的访问通常涉及耗时且有时令人不愉快的用机械工具刮擦以从牙齿上去除牙菌斑。相反，如果牙医可以部署一小部分小型机器人来精确地和非侵入性地移除那些堆积物呢?
宾夕法尼亚大学的一个工程师，牙医和生物学家团队开发了一个微型机器人清洁人员。有两种类型的机器人系统 - 一种设计用于在表面上工作，另一种设计用于在狭窄空间内操作 - 科学家表明，具有催化活性的机器人可以巧妙地破坏生物膜，粘附在保护性脚手架中的细菌混合物。这种机器人生物膜 -去除系统在广泛的潜在应用中可能是有价值的，从保持水管和导管清洁到降低蛀牙，牙髓感染和植入物污染的风险。
这项研究发表在Science Robotics上，由牙科医学院的Hyun(Michel)Koo和工程与应用科学学院的Edward Steager领导。
“这是一次真正的协同和多学科互动，”Koo说。“我们正在利用微生物学家和临床医生以及工程师的专业知识来设计最好的微生物根除系统。这对于我们接近抗生素后时代的抗药性生物膜的其他生物医学领域非常重要。”
“治疗牙齿上的生物膜需要大量的手工劳动，无论是消费者还是专业人士，”Steager补充道。“我们希望改善治疗方案并降低护理难度。”
生物膜可以出现在生物表面上，例如在牙齿上或在关节中或在物体上，例如水管，植入物或导管。无论何时形成生物膜，它们都是众所周知难以去除的，因为保持细菌的粘性基质提供了对抗微生物剂的保护。
在以前的工作中，Koo及其同事通过各种开箱即用的方法在打破生物膜基质方面取得了进展。一种策略是使用含氧化铁的纳米颗粒，其催化作用，活化过氧化氢以释放可以有针对性地杀死细菌和破坏生物膜的自由基。
偶然地，宾夕法尼亚大学牙科医学团队发现，由Steager，Vijay Kumar和Kathleen Stebe领导的Penn工程团队正在使用机器人平台，该平台使用非常相似的氧化铁纳米粒子作为微型机器人的构建块。工程师使用磁场控制这些机器人的运动，允许无绳系统引导它们。
这个跨学校团队共同设计，优化和测试了两种类型的机器人系统，该组称为催化抗菌机器人，或CAR，能够降解和去除生物膜。第一种方法涉及将氧化铁纳米颗粒悬浮在溶液中，然后可以通过磁体引导以犁样方式去除表面上的生物膜。第二平台需要将纳米颗粒嵌入三维形状的凝胶模具中。这些用于瞄准和破坏堵塞封闭管的生物膜。
两种类型的CAR都能有效地杀死细菌，破坏周围的基质，并高精度地清除碎片。在对平板玻璃表面或封闭玻璃管上生长的生物膜进行机器人测试后，研究人员尝试了一种更具临床相关性的应用：从难以触及的人类牙齿部位去除生物膜。
CAR不仅可以从牙齿表面降解和去除细菌生物膜，还可以从牙齿中最难以进入的部位之一，即峡谷，生物膜通常生长的根管之间的狭窄通道中降解和去除细菌生物膜。
“生物膜的现有处理是无效的，因为它们不能同时降解保护基质，杀死嵌入的细菌，并物理去除生物降解产品，”Koo说。“这些机器人可以非常有效地同时完成这三个机器人，不会留下任何生物膜痕迹。”
Koo说，通过摒弃生物膜的退化残留物，它获得成功和重新生长的可能性大幅下降。研究人员设想将这些机器人精确地引导到他们需要去除生物膜的任何地方，无论是导管内部还是水线或难以触及的牙齿表面。
“我们将机器人视为自动化系统，根据积极收集的信息采取行动，”Steager说。在这种情况下，他说，“机器人的运动可以通过从微镜或其他医学成像模式收集的生物膜的图像来获知。”
为了将创新推向临床应用，研究人员正在获得宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院，宾夕法尼亚大学工程学院和研究副教务长办公室支持的宾夕法尼亚健康，设备和技术中心的支持。 。众所周知，Penn Health-Tech为选定的跨学科团体提供支持，以创建新的健康技术，机器人平台项目是2018年获得支持的项目之一。
“该团队在牙科方面具有良好的临床背景，在工程方面具有良好的技术背景，”Penn Health-Tech执行董事Victoria Berenholz说。“我们通过将他们与宾夕法尼亚社区的商业导师和资源联系起来，帮助他们完成这些工作，以翻译他们的技术。他们在项目上做得非常出色。”
除了Koo，Steager，Stebe和Kumar之外，该研究由第一作者Geelsu Hwang，Amauri J. Paula，Yuan Liu，Alaa Babeer和Bekir Karabucak，所有牙科医学院和Elizabeth E. Hunter共同撰写。工程与应用科学学院。