Inżynierowie, dentyści i biolodzy z University of Pennsylvania opracowali mikroskopijne roboty do czyszczenia zębów. Naukowcy wykazali,  że dwa typy robotów – jeden pracujący na powierzchni i drugi dostosowany do pracy w ciasnych miejscach – są w stanie wykorzystać aktywność katalityczną do niszczenia biofilmów bakteryjnych.

Na zdjęciu pokazany jest efekt działania mikrorobotów usuwających biofilm ze szklanej płytki.

Taka armia małych robotów usuwających biofilmy bakteryjne może znaleźć bardzo wiele zastosowań. Przyda się wszędzie tam, gdzie biofilmy stanowią problem, od urządzeń elektrycznych, poprzez wodociągi po kaniule, zęby czy implanty.

To naprawdę multidyscyplinarne i synergistyczne osiągnięcie, mówi jeden z dyrektorów grupy badawczej Hyun Koo ze School of Dental Medicine. Korzystamy z doświadczenia mikrobiologów i praktyków klinicznych oraz inżynierów, by zaprojektować najlepszego systemu usuwania mikroorganizmów. To ważne osiągnięcie z punktu widzenia innych działów biomedycyny, które muszą się zmagać z antybiotykoopornymi biofilmami w epoce post-antybiotykowej.

Usuwanie biofilmów z zębów wymaga olbrzymiej ilości ręcznej pracy, zarówno ze strony konsumenta jak i profesjonalisty. Mamy nadzieję udoskonalić ten proces i go uprościć, mówi drugi z kierujących badaniami, Edward Steager.

Mikroroboty usunęły biofilmy z płytek Petriego z mikroskalową precyzją Źródło: Hwang i in.,

Podczas swoich poprzednich badań Koo i jego zespół eksperymentowali z likwidowaniem biofilmów za pomocą różnych metod. Jedną z wykorzystanych strategii było użycie nanocząstek zawierających tlenek żelaza, który aktywował nadtlenek wodoru, który z kolei uwalniał wolne rodniki niszczące biofilm i zabijające bakterie. W tym samym czasie grupa inżynierów z tego samego uniwersytetu pracowała nad robotyczną platformą, w której do budowania mikrorobotów wykorzystywano podobne nanocząstki tlenku żelaza. Inżynierowie kontrolowali ruch swoich robotów za pomocą pola magnetycznego.

Obie grupy podjęły współpracę, zaprojektowały, zoptymalizowały i przetestowały dwa rodzaje katalitycznych robotów antymikrobowych (CAR), które metodą katalizy niszczą biofilm. Pierwszy z nich korzysta z nanocząstek tlenku żelaza zawieszonych w roztworze i działa jak pług na dużych powierzchniach. Drugi typ wykorzystuje nanocząstki umieszczone w żelu i jest przeznaczony do niszczenia biofilmów w trudno dostępnych ciasnych miejscach.

Mikroroboty mogą uzyskać dostęp do przesmyku, jednego z najtrudniejszych anatomicznych obszarów zębów, gdzie powszechnie występują biofilmy bakteryjne. Przekrój kanału zęba pokazuje przesmyk, wąską szczelinę (300-600 mikrometrów szerokości) pomiędzy kanałami korzeniowymi. Źródło: Hwang i in., Sci. Robot. 4, eaaw2388 (2019)

Testy wykazały, że oba rodzaje robotów efektywnie zabijają bakterię, niszczą biofilm i usuwają pozostałości. Po testach na sztucznych powierzchniach naukowcy postanowili sprawdzić swoje systemy na zęgach. Okazało się, że CAR efektywnie usuwają biofilmy nie tylko z dużych powierzchni na zębach, ale likwiduje je również w jednych z najtrudniej dostępnych regionów zęba, cieśni międzykanałowych.

Obecnie istniejące metody likwidacji biofilmów są nieefektywne, gdyż nie potrafią jednocześnie zniszczyć biofilmu, zabić bakterii i usunąć pozostałości. Te roboty wykonują wszystkie trzy zadania, nie pozostawiając po sobie żadnych pozostałości biofilmu, mówi Koo. Dzięki usunięciu pozostałości biofilmu znacząco zmniejsza się ryzyko jego ponownego pojawienia się.

 

 

Źródło: University of Pennsylvannia, KopalniaWiedzy, https://techxplore.com/news/2019-04-army-microrobots-dental-plaque.html