Посещението при зъболекаря обикновено изисква продължително и понякога неприятно стържене с механични инструменти за отстраняване на плака от зъбите. Какво ще стане, ако вместо това зъболекарят може да разположи малка армия от нано роботи, които точно и неинвазивно да премахнат това натрупване?
Екип от инженери, зъболекари и биолози от Университета на Пенсилвания са разработихли микроскопични роботи за почистване. С два вида роботизирани системи – един, предназначен да работи на повърхности, а другият – да работи в затворени пространства – учените показаха, че роботи с каталитична активност могат умело да унищожават био-филми и лепкави амалгами на бактерии. Такива роботизирани системи за отстраняване на био-филми могат да бъдат ценни в широк спектър от потенциални области – от поддържането на водопроводните тръби чисти, до намаляване на риска от кариес, инфекции и имплантирано замърсяване.
Информацията за новата технология е публикувана в Science Robotics, а изследването е ръководено от Майкъл Ку от училището по дентална медицина и Едуард Стигер от Училището по инженерни и приложни науки.
„Това беше наистина синергетична и мултидисциплинарна разработка и взаимодействие“, казва Ку. „Ние използвахме експертизата на микробиолози и учени клиницисти, както и на инженери, за да проектираме възможно най-добрата система за унищожаване на микроби. Това е важно и за други био-медицински области, изправени пред устойчиви на лекарства био-филми. И да не забравяме, че наближаваме пост-антибиотичната ера.“
„Третирането на био-филми, които се срещат върху зъбите, изисква много ръчен труд, както от страна на потребителя, така и от страна на професионалиста“, добавя Стигер. „Надяваме се да подобрим възможностите за лечение, както и да намалим трудностите при лечението.“
Био-филмите могат да възникнат върху биологични повърхности, като например върху зъби или в стави или върху предмети, като тръби за вода, импланти или катетри. Навсякъде, където се образуват био-филми, те трудно се отстраняват, тъй като лепкавата матрица, която държи бактериите, осигурява защита от антимикробни агенти.
В предишна работа Ку и колегите му са постигнали напредък в разрушаването на био-филми с различни нестандартни методи. Една от стратегиите е да се използват наночастици, съдържащи железен оксид, които работят каталитично, активирайки водороден пероксид, за да стимулират свободните радикали, които могат да убиват бактериите и да унищожават био-филми по целенасочен начин.
Случайно, екипът на Денталното училище към щатския университет на Пенсилвания (Penn Dental Medicine) открива, че група от Инженерното училище към университета (Penn Engineering), ръководена от Стигер, работи с роботизирана платформа, която използва много подобни наночастици от железен оксид, като градивни елементи за микророботи. Инженерите контролират движението на тези роботи, използвайки магнитно поле.
Така заедно, екипът от двете училища проектира, оптимизира и тества два вида роботизирани системи, които групата нарича каталитични антимикробни роботи или CARs, способни да разграждат и отстраняват био-филми. Първият включва суспендиране на наночастици от железен оксид в разтвор, който след това може да бъде насочен с магнити за отстраняване на био-филми върху повърхност по начин, подобен на плуга. Втората платформа включва вграждането на наночастиците в гел с триизмерни форми. Те могат да се използват за прицелване и унищожаване на био-филми съдържащи микроби в затворени тръби.
И двата вида CAR ефективно убиват бактериите, разрушават матрицата, която ги заобикаля, и отстраняват отломките с висока точност. След тестване на роботите върху био-филми, растящи върху плоска стъклена повърхност или затворени стъклени тръби, изследователите изпробват и клинично приложимо приложение: Премахване на био-филм от трудно достъпни части на човешки зъби.
Нещо повече, CAR са в състояние да разграждат и премахват бактериални био-филми не само от зъбната повърхност, но и от много по-труднодостъпните части на зъба, провлака, тесния коридор между кореновите канали, където био-филмите често растат.
„Съществуващите лечения за био-филми са неефективни, тъй като не могат да унищожават защитната матрица, да убиват вградените бактерии и физически да премахват био-разградените продукти“, казва Ку. „Тези роботи могат да правят и трите неща едновременно, при това много ефективно, без да оставят следи от био-филм.“
С отстраняването на деградиралите остатъци от био-филма, шансът да се задържи плаката и да се увеличи отново, значително намалява. Изследователите предвиждат точно насочване на тези роботи, за да премахнат био-филми, където и да са разположени те, било то вътре в затворени тръби, като водопроводи или катетри, или върху трудно достъпни повърхности на зъбите.
„Ние мислим за роботите като автоматизирани системи, които предприемат действия, основани на активно събраната информация,“ казва Стигер. В този случай, „движението на робота може да бъде информирано чрез изображения на био-филма, събрани от микро-камери или други видове медицински изображения“.
За да придвижат иновацията по пътя към клинично приложение, изследователите получават подкрепа от Центъра за здраве, устройства и технологии на Университета на Пен Стейт, инициатива, подкрепяна от Медицинския факултет, от Инженерното училище и Службата на вицепрезидента за изследвания на университета, които подбират интердисциплинарни групи за създаване на нови здравни технологии, а проектът за роботизирани платформи е един от онези, които получават подкрепа през 2018 и 2019 години.
