В США изобрели роботизированный микророй, меняющий форму и заменяющий зубную щетку, ополаскиватель и зубную нить «в одном флаконе».
Технология, разработанная междисциплинарной командой из Пенсильванского университета, предлагает новый и автоматизированный способ выполнения рутинных, но критически важных ежедневных задач по чистке зубов щеткой и зубной нитью. Эта система может быть особенно ценной для тех, кому не хватает ловкости рук, чтобы самостоятельно эффективно чистить зубы.
Строительными блоками этих микророботов являются наночастицы оксида железа, обладающие как каталитической, так и магнитной активностью. Используя магнитное поле, исследователи смогли управлять их движением и конфигурацией, чтобы сформировать либо щетиноподобные структуры, которые сметают зубной налет с широких поверхностей зубов, либо удлиненные нити, которые могут скользить между зубами, как обычная зубная нить. В обоих случаях каталитическая реакция заставляет наночастицы производить противомикробные препараты, которые убивают вредные бактерии полости рта на месте.
Эксперименты с использованием этой системы на имитационных и настоящих человеческих зубах показали, что роботизированные сборки могут принимать различные формы, почти устраняя биопленки, которые приводят к кариесу и заболеваниям десен. Команда Penn поделилась своими выводами, подтверждающими концепцию роботизированной системы, в журнале ACS Nano.
«Обычный уход за полостью рта утомителен и может создавать проблемы для многих людей, особенно для тех, кому трудно чистить зубы», говорит соавтор исследования, профессор кафедры ортодонтии и отделений общественной гигиены полости рта и детской стоматологии в школе Пенна Хюн (Мишель) Ку. «Вы должны почистить зубы, затем воспользоваться зубной нитью, затем прополоскать рот; это ручной, многоэтапный процесс. Большое нововведение здесь заключается в том, что система робототехники может выполнять все три действия одним автоматизированным способом без помощи рук».
«Наночастицам можно придавать форму и управлять ими с помощью магнитных полей удивительным образом», говорит еще один соавтор работы, старший научный сотрудник Школы инженерии и прикладных наук Университета Пенсильвании Эдвард Стигер. «Мы формируем щетинки, которые могут удлиняться, чистить и даже перемещаться взад и вперед по пространству, как зубная нить. Принцип работы похож на то, как робот-манипулятор может протянуть руку и очистить поверхность. Систему можно запрограммировать на автоматическую сборку наночастиц и управление движением».
«Конструкция зубной щетки оставалась относительно неизменной на протяжении тысячелетий, говорит профессор Ку. Хотя добавление электродвигателей повысило базовый формат «щетина на палочке», основная концепция осталась прежней. «Это технология, которая не менялась десятилетиями».
Несколько лет назад исследователи школы Пенна из Центра инноваций и точной стоматологии (CiPD), содиректором которого является профессор Ку, предприняли шаги к серьезному прорыву, используя эту систему микророботов.
Их новаторство возникло из некоторой интуиции. Исследовательские группы Penn Dental Medicine и Penn Engineering интересовались наночастицами оксида железа, но по совершенно разным причинам. Группа профессора Ку была заинтригована каталитической активностью наночастиц. Они могут активировать перекись водорода, чтобы высвободить свободные радикалы, которые убивают бактерии, вызывающие кариес, и разрушают биопленки зубного налета. Тем временем Стигер и его коллеги-инженеры, включая декана Виджая Кумара и профессора Кэтлин Стебе, содиректора CiPD, изучали эти наночастицы как строительные блоки управляемых магнитом микророботов.
При поддержке Penn Health Tech и Национального института стоматологических и черепно-лицевых исследований при Национальном институте здравоохранения сотрудники Penn объединили два направления в работе, создав платформу для электромагнитного управления микророботами, позволяющую им принимать различные конфигурации и выпускать противомикробные препараты для эффективного лечения и чистки зубов.
«Неважно, ровные у вас зубы или неровные, они адаптируются к разным поверхностям», говорит профессор Ку. «Система может приспосабливаться ко всем уголкам и закоулкам в ротовой полости».
Исследователи оптимизировали движения микророботов на небольшой пластине зубчатого материала. Затем они протестировали работу микророботов, приспосабливающихся к сложной топографии поверхности зуба, межзубных поверхностей и линии десен, используя модели зубов, напечатанные на 3D-принтере на основе сканов человеческих зубов из стоматологической клиники. Наконец, они испытали микророботов на настоящих человеческих зубах, которые были установлены таким образом, чтобы имитировать положение зубов в ротовой полости.
На этих различных поверхностях исследователи обнаружили, что система микророботов может эффективно устранять биопленки, очищая их от всех обнаруживаемых патогенов. Наночастицы оксида железа были одобрены Управлением по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов США (FDA) для других целей, а испытания форм щетинок на животных моделях показали, что они не повреждают ткань десны.
Действительно, система полностью программируема; робототехники и инженеры команды использовали изменения в магнитном поле, чтобы точно настроить движения микророботов, а также контролировать жесткость и длину щетинок. Исследователи обнаружили, что кончики щетинок можно сделать достаточно твердыми, чтобы удалять биопленки, но достаточно мягкими, чтобы не повредить десны.
По словам исследователей, настраиваемый характер системы может сделать ее достаточно щадящей для клинического использования, но также и персонализированной, способной адаптироваться к уникальным топографиям ротовой полости пациента.
Чтобы внедрить нововведение в клинику, команда Пенсильванского университета продолжает оптимизировать движения роботов и рассматривает различные способы доставки микророботов через специальные приспособления для рта.
Они очень хотят, чтобы их устройство помогало людям в клинике.
«У нас есть технология, которая не менее эффективна, чем чистка зубов щеткой и зубной нитью, но не требует ловкости рук», говорит профессор Ку. «Мы бы хотели, чтобы это помогло пожилым и людям с ограниченными возможностями. Мы считаем, что это изменит существующие методы и значительно улучшит уход за полостью рта».
