besök hos tandläkaren innebär vanligtvis tidskrävande och ibland obehaglig skrapning med mekaniska verktyg för att ta bort plack från tänderna. Tänk om, istället, en tandläkare skulle kunna sätta in en liten armé av små robotar för att exakt och icke-invasivt ta bort den ansamlingen?

Ett team av ingenjörer, tandläkare, och biologer från University of Pennsylvania utvecklade ett mikroskopiskt robotstädteam. Med två typer av robotsystem – det ena utformat för att fungera på ytor och det andra för att fungera i trånga utrymmen – visade forskarna att robotar med katalytisk aktivitet kunde förstöra biofilmer, klibbiga sammanslagningar av bakterier insnärjda i en skyddande ställning. Sådana robotsystem för borttagning av biofilm kan vara värdefulla i ett brett spektrum av potentiella tillämpningar, från att hålla vattenledningar och katetrar rena till att minska risken för karies, endodontiska infektioner, och implantatkontamination.

Arbetet, publiceras i Vetenskapsrobotik , leddes av Hyun (Michel) Koo från School of Dental Medicine och Edward Steager från School of Engineering and Applied Science.

"Detta var en verkligt synergistisk och multidisciplinär interaktion, " säger Koo. "Vi utnyttjar expertis hos mikrobiologer och kliniker-forskare samt ingenjörer för att designa det bästa möjliga mikrobiella utrotningssystemet. Detta är viktigt för andra biomedicinska områden som står inför läkemedelsresistenta biofilmer när vi närmar oss en post-antibiotika-era."

"Behandling av biofilmer som uppstår på tänder kräver en hel del manuellt arbete, både från konsumentens och professionella sida, ", tillägger Steager. "Vi hoppas kunna förbättra behandlingsalternativen samt minska svårigheten med vården."

Biofilmer kan uppstå på biologiska ytor, som på en tand eller i en led eller på föremål, som vattenrör, implantat, eller katetrar. Varhelst biofilmer bildas, de är notoriskt svåra att ta bort, eftersom den klibbiga matrisen som håller bakterierna ger skydd mot antimikrobiella medel.

I tidigare arbeten, Koo och kollegor har gjort framsteg med att bryta ner biofilmmatrisen med en mängd olika metoder utanför lådan. En strategi har varit att använda järnoxidhaltiga nanopartiklar som fungerar katalytiskt, aktiverar väteperoxid för att frigöra fria radikaler som kan döda bakterier och förstöra biofilmer på ett riktat sätt.

Serendipitalt, Penn Dental Medicine-teamet fann att grupper på Penn Engineering ledda av Steager, Vijay Kumar, och Kathleen Stebe arbetade med en robotplattform som använde mycket liknande nanopartiklar av järnoxid som byggstenar för mikrorobotar. Ingenjörerna styr rörelsen av dessa robotar med hjälp av ett magnetfält, vilket möjliggör ett tjuderfritt sätt att styra dem.

Tillsammans, skolöverskridande team utformade, optimerad, och testade två typer av robotsystem, som gruppen kallar katalytiska antimikrobiella robotar, eller bilar, kan bryta ner och ta bort biofilmer. Den första innebär att suspendera nanopartiklar av järnoxid i en lösning, som sedan kan styras av magneter för att avlägsna biofilmer på en yta på ett plogliknande sätt. Den andra plattformen innebär att nanopartiklarna bäddas in i gelformar i tredimensionella former. Dessa användes för att rikta och förstöra biofilmer som täppte till slutna rör.

Båda typerna av bilar dödade effektivt bakterier, bröt ner matrisen som omger dem, och tog bort skräpet med hög precision. Efter att ha testat robotarna på biofilmer som växer på antingen en plan glasyta eller slutna glasrör, forskarna provade en mer kliniskt relevant tillämpning:att ta bort biofilm från svåråtkomliga delar av en mänsklig tand.

Bilarna kunde bryta ner och ta bort bakteriella biofilmer inte bara från en tandyta utan från en av de mest svåråtkomliga delarna av en tand, näset, en smal korridor mellan rotkanaler där biofilmer vanligtvis växer.

"Befintliga behandlingar för biofilmer är ineffektiva eftersom de är oförmögna att samtidigt bryta ned den skyddande matrisen, dödar de inbäddade bakterierna, och fysiskt avlägsna de biologiskt nedbrutna produkterna, " säger Koo. "Dessa robotar kan göra alla tre samtidigt mycket effektivt, lämnar inga spår av biofilm överhuvudtaget."

Genom att plöja bort de nedbrutna resterna av biofilmen, Koo säger, chansen att det tar fäste och återväxer minskar avsevärt. Forskarna föreställer sig att exakt rikta dessa robotar dit de behöver gå för att ta bort biofilmer, vare sig det är insidan av en kateter eller en vattenlinje eller svåråtkomliga tandytor.

"Vi tänker på robotar som automatiserade system som vidtar åtgärder baserat på aktivt insamlad information, säger Steager. I det här fallet, han säger, "robotens rörelse kan informeras av bilder av biofilmen som samlats in från mikrokameror eller andra sätt för medicinsk avbildning."

För att flytta innovationen på vägen till klinisk tillämpning, forskarna får stöd från Penn Center for Health, Enheter, och teknik, ett initiativ som stöds av Penns Perelman School of Medicine, Penn Engineering, och ämbetet för vice prosten för forskning. Penn Health-Tech, som det är känt, belönar utvalda tvärvetenskapliga grupper med stöd för att skapa ny hälsoteknik, och robotplattformsprojektet var ett av dem som fick stöd 2018.

"Teamet har en fantastisk klinisk bakgrund på dentalsidan och en fantastisk teknisk bakgrund på ingenjörssidan, säger Victoria Berenholz, verkställande direktör för Penn Health-Tech. "Vi hjälper till att runda dem genom att koppla dem till affärsmentorer och resurser inom Penn-gemenskapen för att översätta deras teknik. De har verkligen gjort ett fantastiskt jobb med projektet."

Förutom Koo, Steager, Stebe, och Kumar, studien var medförfattare av första författaren Geelsu Hwang, Amauri J. Paula, Yuan Liu, Alaa Babeer, och Bekir Karabuckak, hela School of Dental Medicine, och Elizabeth E. Hunter från School of Engineering and Applied Science.