En formskiftande robotmikrosvärm kan en dag fungera som en tandborste, sköljning och tandtråd i ett. Tekniken, utvecklad av ett tvärvetenskapligt team vid University of Pennsylvania, är redo att erbjuda ett nytt och automatiserat sätt att utföra de vardagliga men kritiska dagliga uppgifterna med borstning och tandtråd. Det är ett system som kan vara särskilt värdefullt för dem som saknar fingerfärdighet att själva rengöra sina tänder effektivt.

Byggstenarna i dessa mikrorobotar är nanopartiklar av järnoxid som har både katalytisk och magnetisk aktivitet. Med hjälp av ett magnetfält kunde forskare rikta sin rörelse och konfiguration för att bilda antingen borstliknande strukturer som sveper bort tandplack från de breda ytorna på tänderna, eller långsträckta strängar som kan glida mellan tänderna som en längd av tandtråd. I båda fallen driver en katalytisk reaktion nanopartiklarna att producera antimikrobiella medel som dödar skadliga orala bakterier på plats.

Experiment med detta system på skenbara och riktiga mänskliga tänder visade att robotenheterna kan anpassa sig till en mängd olika former för att nästan eliminera de klibbiga biofilmerna som leder till håligheter och tandköttssjukdomar. Penn-teamet delade med sig av sina upptäckter och etablerade ett proof-of-concept för robotsystemet i tidskriften ACS Nano .

"Rutinmässig munvård är besvärlig och kan innebära utmaningar för många människor, särskilt de som har svårt att rengöra sina tänder", säger Hyun (Michel) Koo, professor vid avdelningen för ortodonti och avdelningarna för Community Oral Health and Pediatric Dentistry i Penn's School of Dental Medicine och medförfattare till studien. "Du måste borsta tänderna, sedan använda tandtråd och sedan skölja munnen; det är en manuell process i flera steg. Den stora innovationen här är att robotsystemet kan göra alla tre på ett enda, handsfree, automatiserat sätt ."

"Nanopartiklar kan formas och kontrolleras med magnetfält på överraskande sätt", säger Edward Steager, senior forskare vid Penn's School of Engineering and Applied Science och medförfattare. "Vi bildar borst som kan sträcka sig, svepa och till och med överföra fram och tillbaka över ett utrymme, ungefär som tandtråd. Sättet det fungerar liknar hur en robotarm kan sträcka ut och rengöra en yta. Systemet kan programmeras att göra det. nanopartikelsammansättningen och rörelsestyrningen automatiskt."

Störa munvårdsteknik

"Tandborstens design har varit relativt oförändrad i årtusenden", säger Koo.

Samtidigt som tillsatsen av elmotorer höjde det grundläggande "borst-på-en-stick-formatet", har det grundläggande konceptet förblivit detsamma. "Det är en teknik som inte har störts på decennier."

För flera år sedan tog Penn-forskare inom Center for Innovation &Precision Dentistry (CiPD), där Koo är meddirektör, steg mot en större störning med hjälp av detta mikrorobotsystem.

Deras innovation uppstod ur lite serendipity. Forskargrupper inom både Penn Dental Medicine och Penn Engineering var intresserade av järnoxidnanopartiklar men av väldigt olika anledningar. Koos grupp var fascinerad av nanopartiklarnas katalytiska aktivitet. De kan aktivera väteperoxid för att frigöra fria radikaler som kan döda bakterier som orsakar karies och bryta ned tandplackbiofilmer. Samtidigt undersökte Steager och ingenjörskollegor, inklusive dekan Vijay Kumar och professor Kathleen Stebe, meddirektör för CiPD, dessa nanopartiklar som byggstenar i magnetiskt styrda mikrorobotar.

Med stöd från Penn Health Tech och National Institutes of Healths National Institute of Dental and Craniofacial Research gifte sig Penn-samarbetspartnerna med de två applikationerna i det aktuella arbetet, och byggde en plattform för att elektromagnetiskt styra mikrorobotarna, vilket gör det möjligt för dem att anta olika konfigurationer och släppa ut antimikrobiella medel. på plats för att effektivt behandla och rengöra tänder.

"Det spelar ingen roll om du har raka tänder eller felinriktade tänder, det kommer att anpassa sig till olika ytor", säger Koo. "Systemet kan anpassa sig till alla skrymslen och vrår i munhålan."

Forskarna optimerade mikrorobotarnas rörelser på en liten platta av tandliknande material. Därefter testade de mikrorobotarnas prestanda anpassade till den komplexa topografin av tandytan, interdentalytor och tandköttskanten, med hjälp av 3-D-printade tandmodeller baserade på skanningar av mänskliga tänder från tandkliniken. Slutligen testade de mikrorobotarna på riktiga mänskliga tänder som var monterade på ett sådant sätt att de efterliknade tändernas position i munhålan.

På dessa olika ytor fann forskarna att mikrorobotsystemet effektivt kunde eliminera biofilmer och rensa dem från alla påvisbara patogener. Järnoxidnanopartiklarna har godkänts av FDA för annan användning, och tester av borstformationerna på en djurmodell visade att de inte skadade tandköttsvävnaden.

Faktum är att systemet är fullt programmerbart; teamets robotister och ingenjörer använde variationer i magnetfältet för att exakt ställa in mikrorobotarnas rörelser samt kontrollera borstens styvhet och längd. Forskarna fann att borstens spetsar kunde göras tillräckligt fasta för att ta bort biofilmer men tillräckligt mjuka för att undvika skador på tandköttet.

Systemets anpassningsbara karaktär, säger forskarna, skulle kunna göra det skonsamt nog för klinisk användning, men också personligt, som kan anpassas till de unika topografierna i en patients munhåla.

För att föra fram denna teknik till kliniken fortsätter Penn-teamet att optimera robotarnas rörelser och överväga olika sätt att leverera mikrorobotarna genom munpassande enheter.

De är ivriga att se deras enhet hjälpa patienter.

"Vi har den här tekniken som är lika eller mer effektiv som att borsta och använda tandtråd, men som inte kräver fingerfärdighet", säger Koo. "Vi skulle älska att se detta hjälpa den geriatriska befolkningen och personer med funktionshinder. Vi tror att det kommer att störa nuvarande modaliteter och avsevärt förbättra munhälsovården." + Utforska vidare

Räcker det med att borsta tänderna i två minuter? Här är vad bevisen säger