Een vormveranderende robotmicrozwerm kan ooit fungeren als tandenborstel, spoeling en tandzijde in één. De technologie, ontwikkeld door een multidisciplinair team aan de Universiteit van Pennsylvania, staat klaar om een ​​nieuwe en geautomatiseerde manier te bieden om de alledaagse maar cruciale dagelijkse taken van poetsen en flossen uit te voeren. Het is een systeem dat bijzonder waardevol kan zijn voor mensen die niet de handvaardigheid hebben om hun tanden zelf effectief te reinigen.

De bouwstenen van deze microrobots zijn nanodeeltjes van ijzeroxide die zowel katalytische als magnetische activiteit hebben. Met behulp van een magnetisch veld konden onderzoekers hun beweging en configuratie richten om ofwel borstelachtige structuren te vormen die tandplak van de brede oppervlakken van tanden wegvegen, of langwerpige snaren die tussen de tanden kunnen glijden als een stuk floss. In beide gevallen drijft een katalytische reactie de nanodeeltjes aan om antimicrobiële stoffen te produceren die ter plaatse schadelijke orale bacteriën doden.

Experimenten met dit systeem op nep- en echte menselijke tanden toonden aan dat de robotassemblages zich kunnen aanpassen aan verschillende vormen om de kleverige biofilms die tot gaatjes en tandvleesaandoeningen leiden, bijna te elimineren. Het Penn-team deelde hun bevindingen met het opzetten van een proof-of-concept voor het robotsysteem in het tijdschrift ACS Nano .

"Routine mondverzorging is omslachtig en kan voor veel mensen een uitdaging vormen, vooral degenen die moeite hebben met het poetsen van hun tanden", zegt Hyun (Michel) Koo, een professor in de afdeling Orthodontie en afdelingen van Community Oral Health and Pediatric Dentistry in Penn's School of Dental Medicine en co-corresponderende auteur van de studie. "Je moet je tanden poetsen, dan je tanden flossen en dan je mond spoelen; het is een handmatig, uit meerdere stappen bestaand proces. De grote innovatie hier is dat het robotsysteem alle drie op een enkele, handsfree, geautomatiseerde manier kan doen ."

"Nanodeeltjes kunnen op verrassende manieren worden gevormd en gecontroleerd met magnetische velden", zegt Edward Steager, senior onderzoeker aan Penn's School of Engineering and Applied Science en co-corresponderende auteur. "We vormen borstelharen die zich kunnen uitstrekken, vegen en zelfs heen en weer kunnen bewegen door een ruimte, net zoals bij flossen. De manier waarop het werkt is vergelijkbaar met hoe een robotarm een ​​oppervlak kan uitreiken en schoonmaken. Het systeem kan worden geprogrammeerd om dit te doen de nanodeeltjes assemblage en motion control automatisch."

Ontbrekende mondverzorgingstechnologie

"Het ontwerp van de tandenborstel is al millennia relatief ongewijzigd gebleven", zegt Koo.

Terwijl het toevoegen van elektrische motoren het basis 'borstel-op-een-stok-formaat' verhoogde, is het fundamentele concept hetzelfde gebleven. "Het is een technologie die in decennia niet is verstoord."

Enkele jaren geleden hebben Penn-onderzoekers binnen het Center for Innovation &Precision Dentistry (CiPD), waarvan Koo mededirecteur is, met dit microroboticasysteem stappen gezet in de richting van een grote verstoring.

Hun innovatie kwam voort uit een beetje serendipiteit. Onderzoeksgroepen in zowel Penn Dental Medicine als Penn Engineering waren geïnteresseerd in ijzeroxidenanodeeltjes, maar om heel verschillende redenen. Koo's groep was geïntrigeerd door de katalytische activiteit van de nanodeeltjes. Ze kunnen waterstofperoxide activeren om vrije radicalen vrij te maken die tandbederf veroorzakende bacteriën kunnen doden en biofilms van tandplak kunnen afbreken. Ondertussen waren Steager en technische collega's, waaronder decaan Vijay Kumar en professor Kathleen Stebe, co-directeur van CiPD, deze nanodeeltjes aan het onderzoeken als bouwstenen van magnetisch bestuurde microrobots.

Met steun van Penn Health Tech en het National Institutes of Health's National Institute of Dental and Craniofacial Research, hebben de Penn-medewerkers de twee applicaties in het huidige werk gehuwd en een platform gebouwd om de microrobots elektromagnetisch te besturen, waardoor ze verschillende configuraties kunnen aannemen en antimicrobiële stoffen kunnen vrijgeven ter plaatse om tanden effectief te behandelen en schoon te maken.

"Het maakt niet uit of je rechte tanden hebt of niet goed uitgelijnde tanden, het past zich aan verschillende oppervlakken aan", zegt Koo. "Het systeem kan zich aanpassen aan alle hoeken en gaten in de mondholte."

De onderzoekers optimaliseerden de bewegingen van de microrobots op een plakje tandachtig materiaal. Vervolgens testten ze de prestaties van de microrobots die zich aanpasten aan de complexe topografie van het tandoppervlak, interdentale oppervlakken en het tandvlees, met behulp van 3D-geprinte tandmodellen op basis van scans van menselijke tanden van de tandheelkundige kliniek. Ten slotte probeerden ze de microrobots uit op echte menselijke tanden die zo waren gemonteerd dat ze de positie van tanden in de mondholte nabootsen.

Op deze verschillende oppervlakken ontdekten de onderzoekers dat het microrobotsysteem biofilms effectief kon elimineren en alle detecteerbare ziekteverwekkers kon verwijderen. De ijzeroxide-nanodeeltjes zijn door de FDA goedgekeurd voor ander gebruik, en testen van de borstelharen op een diermodel hebben aangetoond dat ze het tandvlees niet beschadigen.

Het systeem is namelijk volledig programmeerbaar; de robotici en ingenieurs van het team gebruikten variaties in het magnetische veld om de bewegingen van de microrobots nauwkeurig af te stemmen en om de stijfheid en lengte van de borstelharen te regelen. De onderzoekers ontdekten dat de uiteinden van de borstelharen stevig genoeg konden worden gemaakt om biofilms te verwijderen, maar zacht genoeg om schade aan het tandvlees te voorkomen.

De aanpasbare aard van het systeem, zeggen de onderzoekers, zou het zacht genoeg kunnen maken voor klinisch gebruik, maar ook gepersonaliseerd, in staat om zich aan te passen aan de unieke topografieën van de mondholte van een patiënt.

Om deze technologie naar de kliniek te brengen, gaat het Penn-team door met het optimaliseren van de bewegingen van de robots en overweegt het verschillende manieren om de microrobots af te leveren via apparaten die in de mond passen.

Ze willen graag dat hun apparaat patiënten helpt.

"We hebben deze technologie die net zo of effectiever is als tandenpoetsen en flossen, maar die geen handvaardigheid vereist", zegt Koo. "We zouden graag zien dat dit de geriatrische bevolking en mensen met een handicap helpt. We denken dat het de huidige modaliteiten zal verstoren en de mondgezondheid aanzienlijk zal verbeteren." + Verder verkennen

Is twee minuten tandenpoetsen voldoende? Dit is wat het bewijs zegt