science >> Wetenschap >  >> Elektronica

Een leger microrobots kan tandplak wegvagen

Met een nauwkeurige, gecontroleerde beweging, microrobots hebben een glasplaat van een biofilm ontdaan, zoals weergegeven in deze time-lapse-afbeelding. Krediet:Geelsu Hwang en Edward Steager

een bezoek aan de tandarts gaat meestal gepaard met tijdrovend en soms onaangenaam schrapen met mechanisch gereedschap om tandplak te verwijderen. Wat als, in plaats daarvan, een tandarts een klein leger van kleine robots zou kunnen inzetten om die opbouw precies en niet-invasief te verwijderen?

Een team van ingenieurs, tandartsen, en biologen van de Universiteit van Pennsylvania ontwikkelden een microscopische robotreinigingsploeg. Met twee soorten robotsystemen - een ontworpen om op oppervlakken te werken en de andere om in kleine ruimtes te werken - toonden de wetenschappers aan dat robots met katalytische activiteit biofilms kunnen vernietigen, kleverige samensmeltingen van bacteriën verstrikt in een beschermende steiger. Dergelijke robotsystemen voor het verwijderen van biofilm kunnen waardevol zijn in een breed scala aan potentiële toepassingen, van het schoonhouden van waterleidingen en katheters tot het verminderen van het risico op tandbederf, endodontische infecties, en implantaatbesmetting.

Het werk, gepubliceerd in Wetenschap Robotica , werd geleid door Hyun (Michel) Koo van de School of Dental Medicine en Edward Steager van de School of Engineering and Applied Science.

"Dit was een echt synergetische en multidisciplinaire interactie, ", zegt Koo. "We maken gebruik van de expertise van microbiologen en clinici-wetenschappers en ingenieurs om het best mogelijke microbiële uitroeiingssysteem te ontwerpen. Dit is belangrijk voor andere biomedische gebieden die geconfronteerd worden met resistente biofilms nu we een post-antibioticumtijdperk naderen."

Video van auto's die biofilms verwijderen uit petrischalen met precisie op microschaal. Krediet:Hwang et al., Wetenschap. Robot. 4, eaaw2388 (2019)

"Het behandelen van biofilms die op tanden ontstaan, vereist veel handarbeid, zowel aan de kant van de consument als de professional, " voegt Steager toe. "We hopen de behandelingsopties te verbeteren en de moeilijkheid van zorg te verminderen."

Biofilms kunnen ontstaan ​​op biologische oppervlakken, zoals op een tand of in een gewricht of op voorwerpen, zoals waterleidingen, implantaten, of katheters. Overal waar zich biofilms vormen, ze zijn notoir moeilijk te verwijderen, omdat de kleverige matrix die de bacteriën vasthoudt, bescherming biedt tegen antimicrobiële middelen.

In eerder werk, Koo en collega's hebben vooruitgang geboekt bij het afbreken van de biofilmmatrix met een verscheidenheid aan out-of-the-box-methoden. Een strategie was om ijzeroxide-bevattende nanodeeltjes te gebruiken die katalytisch werken, het activeren van waterstofperoxide om vrije radicalen vrij te maken die bacteriën kunnen doden en biofilms gericht kunnen vernietigen.

Toevallig, het Penn Dental Medicine-team ontdekte dat groepen bij Penn Engineering onder leiding van Steager, Vijay Kumar, en Kathleen Stebe werkten met een robotplatform dat zeer vergelijkbare ijzeroxide-nanodeeltjes gebruikte als bouwstenen voor microrobots. De ingenieurs regelen de beweging van deze robots met behulp van een magnetisch veld, waardoor een kettingvrije manier om ze te sturen.

Video van helicoïdale CAR's die biofilms verwijderen van de gebogen oppervlakken van glazen reageerbuizen. Krediet:Hwang et al., Wetenschap. Robot. 4, eaaw2388 (2019)

Samen, het schooloverstijgende team ontworpen, geoptimaliseerd, en testte twee soorten robotsystemen, die de groep katalytische antimicrobiële robots noemt, of auto's, in staat om biofilms af te breken en te verwijderen. De eerste omvat het suspenderen van ijzeroxide-nanodeeltjes in een oplossing, die vervolgens door magneten kunnen worden gestuurd om biofilms op een oppervlak op een ploegachtige manier te verwijderen. Het tweede platform omvat het inbedden van de nanodeeltjes in gelvormen in driedimensionale vormen. Deze werden gebruikt om biofilms die ingesloten buizen verstopten te richten en te vernietigen.

Beide soorten CAR's doodden effectief bacteriën, brak de matrix die hen omringt, en verwijderde het vuil met hoge precisie. Na het testen van de robots op biofilms die groeien op een vlak glazen oppervlak of gesloten glazen buizen, de onderzoekers probeerden een meer klinisch relevante toepassing uit:het verwijderen van biofilm van moeilijk bereikbare delen van een menselijke tand.

De CAR's waren in staat om bacteriële biofilms af te breken en te verwijderen, niet alleen van een tandoppervlak, maar ook van een van de moeilijkst toegankelijke delen van een tand, de landengte, een smalle gang tussen wortelkanalen waar vaak biofilms groeien.

"Bestaande behandelingen voor biofilms zijn niet effectief omdat ze niet in staat zijn om tegelijkertijd de beschermende matrix af ​​te breken, het doden van de ingebedde bacteriën, en het fysiek verwijderen van de biologisch afgebroken producten, ", zegt Koo. "Deze robots kunnen alle drie tegelijk heel effectief, geen spoor van biofilm achterlatend."

  • Illustratie van biohybride en 3D-gegoten auto's. Krediet:Hwang et al., Wetenschap. Robot. 4, eaaw2388 (2019)

  • CAR-behandelde oppervlakken werden nog 24 uur geïncubeerd met het biofilmgroeimedium. Er was geen hergroei van biofilm op biofilm-verwijderde oppervlakken door CAR's, zelfs niet na 24 uur incubatie (rechterpaneel). Controle (links) en met magnetische nanodeeltjes behandelde biofilms (midden) werden ook onder dezelfde omstandigheden geïncubeerd, beide tonen overvloedige bacteriële cellen (in groen) en biofilmmatrix (in rood). Krediet:Hwang et al., Wetenschap. Robot. 4, eaaw2388 (2019)

  • CAR's verwijderden biofilms uit petrischalen met precisie op microschaal, zoals blijkt uit de manier waarop ze de bacteriën opruimden in een bepaald patroon. Fluorescerende microscopie bevestigt de volledige verwijdering van bacteriën van de CAR-"geharkte" oppervlakken. Krediet:Hwang et al., Wetenschap. Robot. 4, eaaw2388 (2019)

  • Biohybride CAR's hebben toegang tot landengte, een van de meest uitdagende anatomische gebieden van tanden, waar vaak bacteriële biofilms worden aangetroffen. Doorsnede van het tandkanaal toont de landengte, een smalle spleet (300-600 micrometer breed) tussen de wortelkanalen. Krediet:Hwang et al., Wetenschap. Robot. 4, eaaw2388 (2019)

  • 3-D gegoten helicoïdale CAR's kunnen magnetisch worden bediend door het kanaal van de tand, een andere veel voorkomende locatie van tandheelkundige biofilmvorming. Krediet:Hwang et al., Wetenschap. Robot. 4, eaaw2388 (2019)

Door de aangetaste resten van de biofilm weg te ploegen, Ko zegt, de kans dat het aanslaat en hergroeit neemt aanzienlijk af. De onderzoekers stellen zich voor om deze robots precies te sturen naar waar ze moeten gaan om biofilms te verwijderen, of het nu de binnenkant van een katheter is of een waterlijn of moeilijk bereikbare tandoppervlakken.

"We zien robots als geautomatiseerde systemen die acties ondernemen op basis van actief verzamelde informatie, " zegt Steager. In dit geval, hij zegt, "de beweging van de robot kan worden geïnformeerd door beelden van de biofilm die zijn verzameld met microcamera's of andere vormen van medische beeldvorming."

Om de innovatie op weg te helpen naar klinische toepassing, de onderzoekers krijgen steun van het Penn Center for Health, apparaten, en technologie, een initiatief ondersteund door Penn's Perelman School of Medicine, Penn Engineering, en het Bureau van de Vice-Provost voor Onderzoek. Penn Health-Tech, zoals het bekend is, beloont geselecteerde interdisciplinaire groepen met ondersteuning om nieuwe gezondheidstechnologieën te creëren, en het project robotplatforms was een van de projecten die in 2018 steun kregen.

"Het team heeft een geweldige klinische achtergrond aan de tandheelkundige kant en een geweldige technische achtergrond aan de technische kant, " zegt Victoria Berenholz, uitvoerend directeur van Penn Health-Tech. "We helpen ze af te ronden door ze in contact te brengen met zakelijke mentoren en bronnen binnen de Penn-gemeenschap om hun technologie te vertalen. Ze hebben echt fantastisch werk geleverd aan het project."

Naast Koo, Steiger, Stebe, en Kumar, de studie was co-auteur van eerste auteur Geelsu Hwang, Amauri J. Paula, Yuan Liu, Alaa Babeer, en Bekir Karabukak, alle van de School of Dental Medicine, en Elizabeth E. Hunter van de School of Engineering and Applied Science.