Новости из США: Армия микро-роботов поможет удалить зубной налет

Визит к стоматологу обычно требует много времени, а иногда и неприятной процедуры механического соскабливания металлическими инструментами зубного налета с зубов. Что, если вместо этого стоматолог сможет развернуть небольшую армию крошечных роботов, чтобы точно и неинвазивно удалить это накопление?

Команда инженеров, стоматологов и биологов из Университета Пенсильвании разработала микроскопическую команду роботов-гигиенистов. С двумя типами роботизированных систем - одна предназначена для работы на поверхностях, а другая для работы в замкнутых пространствах - ученые показали, что роботы с каталитической активностью могут умело уничтожать биопленки, липкие соединения бактерий, заключенные в защитные оболочки. Такие роботизированные системы удаления биопленки могут быть полезны в широком спектре потенциальных применений, от поддержания чистоты шлангов стоматологических установок до снижения риска разрушения зубов, эндодонтических инфекций и периимплантитов.

Работой, опубликованной в Science Robotics, руководили Hyun (Michel) Koo из Школы стоматологии и Edward Steager из Школы инженерии и прикладных наук.

«Это было действительно синергетическое и междисциплинарное взаимодействие», - говорит Ку. «Мы используем опыт микробиологов и ученых-клиницистов, а также инженеров для разработки наилучшей возможной системы уничтожения микробов. Это важно для других биомедицинских областей, сталкивающихся с лекарственно-устойчивыми биопленками, когда мы приближаемся к эпохе после антибиотиков».

«Для лечения биопленок, возникающих на зубах, требуется много ручного труда, как со стороны пациента, так и врача», - добавляет Стигер. «Мы надеемся улучшить варианты лечения, а также уменьшить сложность ухода».

Биопленки могут возникать на биологических поверхностях, например, на зубах, в суставах или на предметах, таких как трубки, шланги, имплантаты или катетеры. Везде, где образуются биопленки, их, как известно, трудно удалить, так как липкий матрикс, которая удерживает бактерии, обеспечивает защиту от антимикробных агентов.

В предыдущей работе Ку и его коллеги добились успехов в разрушении матрикса биопленки с помощью различных нестандартных методов. Одной из стратегий было использование наночастиц, содержащих оксид железа, которые работают каталитически, активируя перекись водорода для высвобождения свободных радикалов, которые могут убивать бактерии и целенаправленно уничтожать биопленки.

По счастливой случайности команда стоматологов Penn обнаружила, что группы в Penn Engineering, возглавляемые Steager, Vijay Kumar и Kathleen Stebe, работали с роботизированной платформой, которая использовала очень похожие наночастицы оксида железа в качестве строительных блоков для микророботов. Инженеры управляют движением этих роботов с помощью магнитного поля, что позволяет управлять ими удаленно.

Совместно, межинститутская команда разработала, оптимизировала и протестировала два типа роботизированных систем, которые группа называет каталитическими антимикробными роботами, или КАР, способными разлагать и удалять биопленки. Первый включает суспендирование наночастиц оксида железа в растворе, который затем может быть направлен магнитами для удаления биопленок на поверхности в виде плуга. Вторая платформа предполагает встраивание наночастиц в гелевые формы в трехмерных формах. Они использовались, чтобы находить и разрушать биопленки, находящиеся в закрытых пространствах.

Оба типа КАР эффективно убивали бактерии, разрушали матрицу, которая их окружала, и удаляли отходы с высокой точностью. После тестирования роботов на биопленках, растущих на плоской стеклянной поверхности или в закрытых стеклянных пробирках, исследователи опробовали более клинически значимое применение: удаление биопленки из труднодоступных частей человеческого зуба.

КАР были способны разлагать и удалять бактериальные биопленки не только с поверхности зуба, но и с одной из самых труднодоступных частей зуба, истмуса, узкого коридора между корневыми каналами, где обычно растут биопленки.

«Существующие способы обработки биопленок неэффективны, потому что они не способны одновременно разрушать защитную матрицу, убивать внедренные бактерии и физически удалять биоразлагаемые продукты», - говорит Ку. «Эти роботы могут выполнять все три задачи одновременно и очень эффективно, не оставляя следов биопленки».

По словам Ку, при удалении разрушенных остатков биопленки уменьшается вероятность того, что она снова вырастет. Исследователи предполагают точное направление этих роботов туда, куда нужно, чтобы удалить биопленки, будь то внутрь катетера, водного шланга или на труднодоступные поверхности зубов.

«Мы считаем роботов автоматизированными системами, которые выполняют действия на основе активно собираемой информации», - говорит Стигер. В этом случае, по его словам, «движение робота может быть подтверждено изображениями биопленки, полученными с микрокамер, или другими способами медицинской визуализации».

Чтобы продвинуть инновации на пути к клиническому применению, исследователи получили поддержку от Penn Health-Tech – Центра здравоохранения, приборов и технологий Пенна, инициативы, поддерживаемой Медицинской школой Перельмана в Пенне.  Penn Health-Tech, как известно, присуждает отдельным междисциплинарным группам поддержку в создании новых технологий здравоохранения, и проект роботизированных платформ был одним из тех, кто получил поддержку в 2018 году.

«У команды отличный клинический опыт в области стоматологии и технический опыт в инженерной сфере», - говорит Виктория Беренхольц, исполнительный директор Penn Health-Tech. «Наша задача вывести их в сферу бизнеса. Они действительно проделали фантастическую работу над проектом».

Источник: Университет Пенсильвании, США

Перевод: Полилов Д.А.