Gestaltwandelnde Mikroroboter können Zähne putzen und mit Zahnseide behandeln

Ein sich verändernder Roboter-Mikroschwarm könnte eines Tages als Zahnbürste, Spülung und Zahnseide in einem fungieren. Die Technologie, die von einem multidisziplinären Team an der University of Pennsylvania entwickelt wurde, bietet eine neue und automatisierte Möglichkeit, die alltäglichen, aber kritischen täglichen Aufgaben des Zähneputzens und der Zahnseide durchzuführen. Es ist ein System, das besonders wertvoll für diejenigen sein könnte, denen die manuelle Geschicklichkeit fehlt, um ihre Zähne effektiv selbst zu reinigen.

Die Bausteine ​​dieser Mikroroboter sind Eisenoxid-Nanopartikel, die sowohl katalytisch als auch magnetisch aktiv sind. Mithilfe eines Magnetfelds konnten die Forscher ihre Bewegung und Konfiguration lenken, um entweder borstenartige Strukturen zu bilden, die Zahnbelag von den breiten Oberflächen der Zähne wegfegen, oder längliche Fäden, die wie eine Länge Zahnseide zwischen die Zähne gleiten können. In beiden Fällen treibt eine katalytische Reaktion die Nanopartikel dazu, antimikrobielle Wirkstoffe zu produzieren, die schädliche Mundbakterien vor Ort abtöten.

Experimente mit diesem System an künstlichen und echten menschlichen Zähnen zeigten, dass sich die Roboterbaugruppen an eine Vielzahl von Formen anpassen können, um die klebrigen Biofilme, die zu Karies und Zahnfleischerkrankungen führen, nahezu zu eliminieren. Das Penn-Team teilte seine Ergebnisse zur Erstellung eines Proof-of-Concept für das Robotersystem in der Zeitschrift mit ACS-Nano.

„Die routinemäßige Mundpflege ist umständlich und kann für viele Menschen eine Herausforderung darstellen, insbesondere für diejenigen, die Schwierigkeiten beim Zähneputzen haben“, sagt Hyun (Michel) Koo, Professor an der Abteilung für Kieferorthopädie und den Abteilungen für kommunale Mundgesundheit und Kinderzahnheilkunde an der Penn’s School of Dental Medicine und Co-korrespondierender Autor der Studie. „Sie müssen Ihre Zähne putzen, dann Zahnseide verwenden und dann Ihren Mund ausspülen; es ist ein manueller, mehrstufiger Prozess. Die große Innovation hier ist, dass das Robotersystem alle drei auf eine einzige, freihändige, automatisierte Weise ausführen kann .“

„Nanopartikel können mit Magnetfeldern auf überraschende Weise geformt und kontrolliert werden“, sagt Edward Steager, leitender Forscher an der Penn’s School of Engineering and Applied Science und Mitautor. „Wir bilden Borsten, die sich ausdehnen, fegen und sogar über einen Raum hin und her bewegen können, ähnlich wie bei Zahnseide. Die Funktionsweise ähnelt der, wie ein Roboterarm eine Oberfläche ausstrecken und reinigen könnte. Das System kann dafür programmiert werden die Nanopartikel-Montage und Bewegungssteuerung automatisch.“

Revolutionäre Mundpflegetechnologie

„Das Design der Zahnbürste ist seit Jahrtausenden relativ unverändert geblieben“, sagt Koo.

Während das Hinzufügen von Elektromotoren das grundlegende „Borsten-am-Stiel-Format“ erhöhte, ist das grundlegende Konzept gleich geblieben. „Es ist eine Technologie, die seit Jahrzehnten nicht gestört wurde.“

Vor einigen Jahren unternahmen Penn-Forscher des Center for Innovation & Precision Dentistry (CiPD), dessen Co-Direktor Koo ist, mit diesem Mikrorobotiksystem Schritte in Richtung einer großen Revolution.

Ihre Innovation entstand aus einem kleinen Zufall. Forschungsgruppen sowohl bei Penn Dental Medicine als auch bei Penn Engineering interessierten sich für Eisenoxid-Nanopartikel, jedoch aus sehr unterschiedlichen Gründen. Koos Gruppe war fasziniert von der katalytischen Aktivität der Nanopartikel. Sie können Wasserstoffperoxid aktivieren, um freie Radikale freizusetzen, die Karies verursachende Bakterien abtöten können bauen den Biofilm der Zahnplaque ab. In der Zwischenzeit erforschten Steager und Ingenieurkollegen, darunter Dean Vijay Kumar und Professor Kathleen Stebe, Co-Direktorin des CiPD, diese Nanopartikel als Bausteine ​​von Magnetisch gesteuerte Mikroroboter.

Mit Unterstützung von Penn Health Tech und dem National Institute of Dental and Craniofacial Research der National Institutes of Health haben die Mitarbeiter von Penn die beiden Anwendungen in der aktuellen Arbeit miteinander verbunden und eine Plattform zur elektromagnetischen Steuerung der Mikroroboter konstruiert, die es ihnen ermöglicht, verschiedene Konfigurationen anzunehmen und antimikrobielle Wirkstoffe freizusetzen vor Ort, um Zähne effektiv zu behandeln und zu reinigen.

„Es spielt keine Rolle, ob Sie gerade Zähne oder Zahnfehlstellungen haben, es passt sich an verschiedene Oberflächen an“, sagt Koo. „Das System kann sich an alle Ecken und Winkel der Mundhöhle anpassen.“

Auf einer kleinen Platte aus zahnähnlichem Material optimierten die Forscher die Bewegungen der Mikroroboter. Als nächstes testeten sie die Leistung der Mikroroboter bei der Anpassung an die komplexe Topografie der Zahnoberfläche, der Interdentalflächen und des Zahnfleischsaums, indem sie 3-D-gedruckte Zahnmodelle verwendeten, die auf Scans menschlicher Zähne aus der Zahnklinik basierten. Schließlich testeten sie die Mikroroboter an echten menschlichen Zähnen, die so montiert waren, dass sie die Position von Zähnen in der Mundhöhle nachahmten.

Auf diesen verschiedenen Oberflächen stellten die Forscher fest, dass das Mikrorobotiksystem Biofilme effektiv eliminieren und sie von allen nachweisbaren Krankheitserregern befreien konnte. Die Eisenoxid-Nanopartikel wurden von der FDA für andere Anwendungen zugelassen, und Tests der Borstenformationen an einem Tiermodell zeigten, dass sie das Zahnfleischgewebe nicht schädigten.

Tatsächlich ist das System vollständig programmierbar; Die Robotiker und Ingenieure des Teams nutzten Variationen im Magnetfeld, um die Bewegungen der Mikroroboter genau abzustimmen und die Steifigkeit und Länge der Borsten zu steuern. Die Forscher fanden heraus, dass die Spitzen der Borsten fest genug gemacht werden konnten, um Biofilme zu entfernen, aber weich genug, um Schäden am Zahnfleisch zu vermeiden.

Die anpassbare Natur des Systems, sagen die Forscher, könnte es sanft genug für den klinischen Einsatz machen, aber auch personalisiert und in der Lage sein, sich an die einzigartigen Topographien der Mundhöhle eines Patienten anzupassen.

Um diese Technologie in die Klinik zu bringen, optimiert das Penn-Team weiterhin die Bewegungen der Roboter und erwägt verschiedene Möglichkeiten, die Mikroroboter durch mundanpassende Geräte einzuführen.

Sie sind gespannt darauf, dass ihr Gerät Patienten hilft.

„Wir haben diese Technologie, die mindestens so effektiv ist wie Zähneputzen und Zahnseide, aber keine manuelle Geschicklichkeit erfordert“, sagt Koo. „Wir würden gerne sehen, dass dies der geriatrischen Bevölkerung und Menschen mit Behinderungen hilft. Wir glauben, dass dies die derzeitigen Modalitäten stören und die Mundgesundheitspflege erheblich voranbringen wird.“