Des microrobots métamorphosés peuvent se brosser les dents et passer la soie dentaire

Un microessaim robotique métamorphosé pourrait un jour servir à la fois de brosse à dents, de rinçage et de fil dentaire. La technologie, développée par une équipe multidisciplinaire de l’Université de Pennsylvanie, est sur le point d’offrir une nouvelle façon automatisée d’effectuer les tâches quotidiennes banales mais critiques du brossage et de la soie dentaire. C’est un système qui pourrait être particulièrement utile pour ceux qui manquent de dextérité manuelle pour se nettoyer efficacement les dents eux-mêmes.

Les éléments constitutifs de ces microrobots sont des nanoparticules d’oxyde de fer qui ont une activité à la fois catalytique et magnétique. À l’aide d’un champ magnétique, les chercheurs pourraient diriger leur mouvement et leur configuration pour former soit des structures semblables à des poils qui balayent la plaque dentaire des larges surfaces des dents, soit des cordes allongées qui peuvent glisser entre les dents comme une longueur de fil dentaire. Dans les deux cas, une réaction catalytique pousse les nanoparticules à produire des antimicrobiens qui tuent sur place les bactéries buccales nocives.

Des expériences utilisant ce système sur des dents humaines factices et réelles ont montré que les assemblages robotiques peuvent se conformer à une variété de formes pour éliminer presque les biofilms collants qui conduisent aux caries et aux maladies des gencives. L’équipe Penn a partagé ses conclusions établissant une preuve de concept pour le système robotique dans la revue ACS Nano.

« Les soins bucco-dentaires de routine sont fastidieux et peuvent poser des défis à de nombreuses personnes, en particulier à celles qui ont du mal à se nettoyer les dents », déclare Hyun (Michel) Koo, professeur au Département d’orthodontie et aux divisions de santé bucco-dentaire communautaire et de dentisterie pédiatrique de la Penn’s School. de médecine dentaire et co-auteur correspondant de l’étude. « Vous devez vous brosser les dents, puis passer la soie dentaire, puis vous rincer la bouche ; c’est un processus manuel en plusieurs étapes. La grande innovation ici est que le système robotique peut faire les trois d’une seule manière, mains libres et automatisée. . »

« Les nanoparticules peuvent être façonnées et contrôlées avec des champs magnétiques de manière surprenante », déclare Edward Steager, chercheur principal à la Penn’s School of Engineering and Applied Science et co-auteur correspondant. « Nous formons des poils qui peuvent s’étendre, balayer et même se transférer dans un espace, un peu comme la soie dentaire. La façon dont cela fonctionne est similaire à la façon dont un bras robotique pourrait atteindre et nettoyer une surface. Le système peut être programmé pour faire automatiquement l’assemblage des nanoparticules et le contrôle du mouvement. »

Une technologie de soins bucco-dentaires révolutionnaire

« Le design de la brosse à dents est resté relativement inchangé depuis des millénaires », explique Koo.

Alors que l’ajout de moteurs électriques a rehaussé le format de base du « soies sur un bâton », le concept fondamental est resté le même. « C’est une technologie qui n’a pas été perturbée depuis des décennies. »

Il y a plusieurs années, les chercheurs de Penn au sein du Center for Innovation & Precision Dentistry (CiPD), dont Koo est co-directeur, ont pris des mesures vers une rupture majeure, en utilisant ce système de microrobotique.

Leur innovation est née d’un peu de sérendipité. Des groupes de recherche de Penn Dental Medicine et de Penn Engineering se sont intéressés aux nanoparticules d’oxyde de fer, mais pour des raisons très différentes. Le groupe de Koo a été intrigué par l’activité catalytique des nanoparticules. Ils peuvent activer le peroxyde d’hydrogène pour libérer des radicaux libres qui peuvent tuer les bactéries responsables de la carie dentaire et dégrader les biofilms de la plaque dentaire. Pendant ce temps, Steager et ses collègues ingénieurs, dont le doyen Vijay Kumar et le professeur Kathleen Stebe, codirectrice de CiPD, exploraient ces nanoparticules comme éléments constitutifs de microrobots à commande magnétique.

Avec le soutien de Penn Health Tech et de l’Institut national de recherche dentaire et craniofaciale des National Institutes of Health, les collaborateurs de Penn ont marié les deux applications dans les travaux en cours, construisant une plate-forme pour contrôler électromagnétiquement les microrobots, leur permettant d’adopter différentes configurations et de libérer des antimicrobiens. sur place pour traiter et nettoyer efficacement les dents.

« Peu importe que vous ayez des dents droites ou des dents mal alignées, cela s’adaptera à différentes surfaces », explique Koo. « Le système peut s’adapter à tous les coins et recoins de la cavité buccale. »

Les chercheurs ont optimisé les mouvements des microrobots sur une petite plaque de matériau semblable à une dent. Ensuite, ils ont testé les performances des microrobots en s’ajustant à la topographie complexe de la surface de la dent, des surfaces interdentaires et de la ligne gingivale, en utilisant des modèles de dents imprimés en 3D basés sur des scans de dents humaines de la clinique dentaire. Enfin, ils ont testé les microrobots sur de vraies dents humaines montées de manière à imiter la position des dents dans la cavité buccale.

Sur ces différentes surfaces, les chercheurs ont découvert que le système de microrobotique pouvait efficacement éliminer les biofilms, les débarrassant de tous les agents pathogènes détectables. Les nanoparticules d’oxyde de fer ont été approuvées par la FDA pour d’autres utilisations, et des tests des formations de poils sur un modèle animal ont montré qu’elles n’endommageaient pas le tissu gingival.

En effet, le système est entièrement programmable ; les roboticiens et ingénieurs de l’équipe ont utilisé les variations du champ magnétique pour ajuster avec précision les mouvements des microrobots ainsi que pour contrôler la rigidité et la longueur des poils. Les chercheurs ont découvert que les pointes des poils pouvaient être rendues suffisamment fermes pour éliminer les biofilms mais suffisamment souples pour éviter d’endommager les gencives.

La nature personnalisable du système, selon les chercheurs, pourrait le rendre suffisamment doux pour une utilisation clinique, mais aussi personnalisé, capable de s’adapter aux topographies uniques de la cavité buccale d’un patient.

Pour faire progresser cette technologie à la clinique, l’équipe de Penn continue d’optimiser les mouvements des robots et envisage différents moyens de délivrer les microrobots via des dispositifs adaptés à la bouche.

Ils sont impatients de voir leur appareil aider les patients.

« Nous avons cette technologie qui est aussi efficace, voire plus, que le brossage des dents et la soie dentaire, mais qui ne nécessite pas de dextérité manuelle », explique Koo. « Nous aimerions voir cela aider la population gériatrique et les personnes handicapées. Nous pensons que cela perturbera les modalités actuelles et fera progresser considérablement les soins de santé bucco-dentaire. »