Στρατός μικρο-ρομπότ καταπλέουν την οδοντική πλάκα

Μία επίσκεψη στον οδοντίατρο περιλαμβάνει τυπικά χρονοβόρα και μερικές φορές δυσάρεστη απόξεση με μηχανικά εργαλεία για την αφαίρεση της οδοντικής πλάκας από τα δόντια. Τι θα συνέβαινε, αν ένας οδοντίατρος μπορούσε να παρατάξει ένα μικρό στρατό μικρο-ρομπότ για να αφαιρέσει με ακρίβεια και μη επεμβατικά αυτά τα επιχρίσματα;

Μία ομάδα μηχανικών, οδοντιάτρων και βιολόγων από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια ανέπτυξαν ένα μικροσκοπικό ρομποτικό πλήρωμα καθαρισμού. Με δύο τύπους ρομποτικών συστημάτων-ένα σχεδιασμένο να εργάζεται σε επιφάνειες και το άλλο να λειτουργεί μέσα σε περιορισμένους χώρους-οι επιστήμονες έδειξαν πως τα ρομπότ με καταλυτική δράση μπορούν επιδέξια να καταστρέψουν τα βιοϋμένια, κολλώδη συσσωματώματα βακτηρίων πλεγμένα σε ένα προστατευτικό ικρίωμα. Τέτοια ρομποτικά συστήματα αφαίρεσης βιοϋμενίου θα μπορούσαν να είναι πολύτιμα σε ένα μεγάλο εύρος πιθανών εφαρμογών, από τη διατήρηση της καθαριότητας σε σωλήνες νερού και καθετήρες έως τη μείωση του κινδύνου οδοντικής τερηδόνας, ενδοδοντικών λοιμώξεων και της μόλυνσης εμφυτευμάτων.

Η εργασία, που δημοσιεύθηκε στο Science Robotics, πραγματοποιήθηκε με επικεφαλής τον H.Koo της Οδοντιατρικής Σχολής του Πανεπιστημίου και τον E.Steager της Σχολής Μηχανικής και Εφαρμοσμένων Επιστημών.

”Αυτή ήταν μία πραγματικά συνεργική και πολυδιάστατη αλληλεπίδραση”, αναφέρει ο Κοο”. ”Συνδυάζουμε την εμπειρία των μικροβιολόγων και των κλινικών επιστημόνων καθώς και των μηχανικών για να σχεδιάσουμε το καλύτερο δυνατό σύστημα εξάλειψης μικροβίων. Αυτό είναι σημαντικό σε άλλα βιοϊατρικά πεδία που αντιμετωπίζουν ανθεκτικά στα φάρμακα βιοϋμένια καθώς προσεγγίζουμε μία μετα-αντιβιοτική εποχή”.

”Η θεραπεία βιοϋμενίων που εμφανίζονται στα δόντια απαιτεί σημαντική χειρωνακτική εργασία, τόσο εκ μέρους του καταναλωτή όσο και του επαγγελματία”, προσθέτει ο Steager. ”Ελπίζουμε να βελτιώσουμε τις θεραπευτικές επιλογές καθώς και να μειώσουμε την θεραπευτική δυσκολία.”

Τα βιοϋμένια μπορούν να εμφανιστούν σε βιολογικές επιφάνειες, όπως ένα δόντι ή σε μία άρθρωση ή σε αντικείμενα, όπως σωλήνες νερού, εμφυτεύματα ή καθετήρες. Οπουδήποτε σχηματιστούν, είναι δύσκολο να αφαιρεθούν, καθώς η κολλώδης μήτρα που συγκρατεί τα βακτήρια προσφέρει προστασία από αντιμικροβιακούς παράγοντες.

Σε προηγούμενη εργασία, ο Koo και οι συνεργάτες του πραγματοποίησαν σημαντικά βήματα στη διάσπαση του σκελετού του βιοϋμενίου με μία ποικιλία ασυνήθιστων μεθόδων. Μία στρατηγική ήταν η χρήση νανοσωματιδίων που περιέχουν οξείδια του σιδήρου που δρουν καταλυτικά, ενεργοποιώντας το υπεροξείδιο του υδρογόνου για να απελευθερώσει ελεύθερες ρίζες που μπορούν να σκοτώσουν βακτήρια και να καταστρέψουν τα βιοϋμένια με στοχευμένο τρόπο.

Κατά σύμπτωση, η Οδοντιατρική Σχολή Penn βρήκε πως ομάδες στη Σχολή Μηχανικών του ίδιου πανεπιστημίου με επικεφαλής τους Steager, V.Kumar και K.Stebe εργάζονταν με μία ρομποτική πλατφόρμα που χρησιμοποιούσε πολύ παρόμοια νανοσωματίδια που περιέχουν σίδηρο ως δομικά στοιχεία για μικρο-ρομπότ. Οι μηχανικοί ελέγχουν την κίνηση αυτών των ρομπότ χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο, επιτρέποντας την καθοδήγησή τους χωρίς περίδεση.

Μαζί, αυτή η ομάδα από διαφορετικές σχολές σχεδίασε, βελτιστοποίησε και δοκίμασε δύο τύπους ρομποτικών συστημάτων, τα οποία η ομάδα ονομάζει καταλυτικά αντιμικροβιακά ρομπότ, ή ΚΑΡ, ικανά να διασπάσουν και να αφαιρέσουν βιοϋμένια. Ο πρώτος τύπος περιλαμβάνει ανασταλτικά νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου σε ένα διάλυμα, τα οποία μπορούν στη συνέχεια να κατευθυνθούν από μαγνήτες για αφαίρεση των βιοϋμενίων σε μία επιφάνεια με οργωτικό τρόπο. Η δεύτερη πλατφόρμα περιλαμβάνει ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων σε γέλη σε τρισδιάστατο σχήμα. Αυτά χρησιμοποιήθηκαν για στόχευση και καταστροφή βιοϋμενίων που εμφανίζονται σε κλειστούς σωλήνες.

Και οι δύο τύποι ΚΑΡ εξάλειψαν αποτελεσματικά τα βακτήρια, κατέστρεψαν τη μήτρα που τα περιβάλλει και αφαίρεσαν τα υπολείμματα με υψηλή ακρίβεια. Μετά τη δοκιμασία των ρομπότ σε βιοϋμένια που αναπτύσσονται είτε σε επίπεδη επιφάνεια γυαλιού είτε σε κλειστούς γυάλινους σωλήνες, οι ερευνητές δοκίμασαν μία πιο κλινικά σχετική εφαρμογή: την αφαίρεση βιοϋμενίου από δύσκολα στην πρόσβαση σημεία ενός ανθρώπινου δοντιού.

Τα ΚΑΡ κατάφεραν να καταστρέψουν και να αφαιρέσουν τα βακτηριακά βιοϋμένια όχι μόνο από μία οδοντική επιφάνεια αλλά και ένα από τα δυσκολότερα σε πρόσβαση σημεία ενός δοντιού, τον ισθμό, ένα στενό διάδρομο μεταξύ των ριζικών σωλήνων στον οποίο αναπτύσσονται συνήθως τα βιοϋμένια.

”Οι υπάρχουσες θεραπείες για βιοϋμένια είναι αναποτελεσματικές επειδή δεν μπορούν να καταστρέψουν ταυτόχρονα την προστατευτική μήτρα, να εξαλείψουν τα ενσωματωμένα βακτήρια και να αφαιρέσουν φυσικά τα βιοδιασπώμενα προϊόντα”, αναφέρει ο Κοο. ”Αυτά τα ρομπότ μπορούν να πραγματοποιήσουν και τα τρία ταυτόχρονα πολύ αποτελεσματικά, χωρίς να αφήνουν ίχνη βιοϋμενίου.”

Αφαιρώντας τα διασπασμένα υπολείμματα του βιοϋμενίου, λέει ο Κοο, η πιθανότητα να διατηρηθεί και να αναπτυχθεί εκ νέου μειώνεται σημαντικά. Οι ερευνητές οραματίζονται την ακριβή κατεύθυνση αυτών των ρομπότ οπουδήποτε χρειάζονται για να αφαιρούν βιοϋμένια, είτε στο εσωτερικό ενός καθετήρα ή ενός σωλήνα νερού είτε σε δύσκολες στην πρόσβαση οδοντικές επιφάνειες.

”Σκεφτόμαστε σχετικά με τα ρομπότ ως αυτοματοποιημένα συστήματα που λαμβάνουν δράσεις με βάση ενεργά συλλεγμένες πληροφορίες”, λέει ο Steager. Σε αυτή την περίπτωση, αναφέρει, ”η κίνηση του ρομπότ μπορεί να ενημερωθεί από εικόνες του βιοϋμενίου που συλλέγονται από μικροκάμερες ή άλλους τρόπους ιατρικής απεικόνισης”.

Για να μεταφερθεί η καινοτομία στην κλινική εφαρμογή, οι ερευνητές υποστηρίζονται από το Κέντρο Penn για Υγεία, Συσκευές και Τεχνολογία, μία πρωτοβουλία που υποστηρίζεται από την Ιατρική Σχολή Penn Perelman, τη Σχολή Μηχανικών Penn και το γραφείο του αντιπρύτανη στον τομέα των ερευνών. Το Penn Health-Tech, όπως είναι γνωστό, δίνει βραβεία σε επίλεκτες διεπιστημονικές ομάδες υποστηρίζοντάς τις για να δημιουργήσουν νέες τεχνολογίες υγείας και το εγχείρημα των ρομποτικών πλατφορμών ήταν μία από τις βραβευμένες προσπάθειες για το 2018.

”Η ομάδα έχει μεγάλο κλινικό υπόβαθρο στον οδοντιατρικό τομέα και μεγάλο τεχνικό υπόβαθρο στο μηχανικό τομέα”, λέει η V.Berenholz, εκτελεστική διευθύντρια του Penn Health-Tech. ”Βοηθάμε τις ομάδες συνδέοντάς τις με επιχειρηματικούς μέντορες και πόρους εντός της κοινότητας Penn για να μεταφράσουν την τεχνολογία τους. Έχουν κάνει πραγματικά εκπληκτική δουλειά στο εγχείρημα.”

Σχετικά με τους συγγραφείς της μελέτης:

Εκτός από τους Κοο, Steager, Stebe, Kumar, η μελέτη συγγράφηκε από τους G.Hwang, A.J.Paula, Y.Liu, A.Babeer και B.Karabucak της Οδοντιατρικής Σχολής και την E.E.Hunter της Σχολής Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών.

Η μελέτη υποστηρίχθηκε εν μέρει από το Εθνικό Ινστιτούτο Οδοντικής και Κρανιοπροσωπικής Έρευνας και το Εθνικό Ίδρυμα Επιστημών.

Ο Κοο είναι καθηγητής στο Τμήμα Ορθοδοντικής στην Οδοντιατρική Σχολή Penn και στα Τμήματα Παιδοδοντίας και Δημόσιας Στοματικής Υγείας.

Ο Steager είναι ερευνητής στη Σχολή Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών στο Εργαστήριο Γενικής Ρομποτικής, Αυτοματισμού, Αίσθησης και Αντίληψης.

Ο Kumar είναι Κοσμήτορας της Οικογένειας Nemirovsky στη Σχολή Μηχανικών Penn με διορισμούς στα τμήματα Μηχανικής και Εφαρμοσμένης Μηχανικής, Υπολογιστικών και Ενημερωτικών Επιστημών και Ηλεκτρολόγων Μηχανικών Συστημάτων.

Η Stebe είναι καθηγήτρια Χημικών και Βιομοριακών Μηχανικών στο Richer and Elizabeth Goodwin της Σχολής Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών.

Αναδημοσίευση από το περιοδικό DT US Edition, Ιούνιος 2019, Vol.. 14, No. 6

https://penntoday.upenn.edu/news/army-microrobots-can-wipe-out-dental-plaque