Исследователи в сотрудничестве со стоматологами разработали микроскопического робота для чистки зубов. Команда состоит из двух типов роботов — один предназначен для работы на поверхностях, а другой — для работы в узких, труднодоступных пространствах. Такая армия крошечных роботов может эффективно устранять зубной налет и помогать сохранять наши зубы здоровыми.
Исследователи из Университета Пенсильвании объединились со стоматологами и биологами для разработки микроскопических роботов, которые используют каталитическую активность для удаления бактериальных биопленок. Ученые создали крошечных роботов с целью помочь людям поддерживать гигиену полости рта, но роботизированная армия может найти множество других применений, например, для поддержания чистоты водопроводных труб, катетеров или венфлонов.
Зубной налет или бактериальный налет — это отложения, которые плотно прилипают к зубам. Он начинает образовываться через несколько минут после последней чистки зубов. Первоначально он состоит только из веществ, содержащихся в слюне, но быстро колонизируется бактериями, которые могут вызвать кариес. В зрелом зубном налете около 60-70 процентов составляют бактерии Lactobacillus и Streptococcus mutans, ответственные за кариес.
Результаты работы междисциплинарной команды были опубликованы в журнале Science Robotics.
— Мы использовали опыт микробиологов, инженеров и клинических врачей, чтобы разработать наилучшую систему контроля микроорганизмов. Это важно для других биомедицинских факультетов, сталкивающихся с проблемой борьбы с устойчивыми к лекарствам биопленками в грядущую пост-антибиотическую эру, говорит Хен Ку, возглавлявший исследование.
Биопленки — это многоклеточные бактериальные структуры, которые имеют тенденцию прикрепляться к различным поверхностям. Эти структуры образуются везде, не только у нас во рту в виде зубного налета, но и на грязной посуде, камнях, трубах или хирургическом оборудовании. Одним словом, везде, где встречаются жидкости и микроорганизмы.
От биопленок трудно избавиться. Их невозможно удалить струей воды, даже под высоким давлением. Липкая матрица, удерживающая бактерии на месте, обеспечивает защиту от противомикробных средств. Остаются только механические варианты, поэтому стоматологи тратят так много времени на соскабливание зубного налета с зубов, что, вероятно, доставляет им не меньше удовольствия, чем пациентам.
— Лечение биопленок на зубах требует много ручного труда, как со стороны потребителя, так и со стороны специалиста. Мы надеемся улучшить этот процесс», — признался Эдвард Стигер, соавтор исследования.
В более ранних исследованиях Ку и его коллеги добились значительного прогресса в разрушении матрицы биопленки. Одна из стратегий заключается в использовании наночастиц, содержащих оксид железа, которые действуют каталитически, активируя перекись водорода для высвобождения свободных радикалов, способных убивать бактерии и целенаправленно разрушать биопленки.
В свою очередь, исследователи под руководством Штегера работали над роботизированной платформой, в которой использовались очень похожие наночастицы оксида железа в качестве строительных блоков для микророботов. Инженеры управляют движением этих роботов с помощью магнитного поля, что дает им свободу передвижения.
Вместе команда разработала, оптимизировала и протестировала два типа роботизированных систем, которые группа называет каталитическими антимикробными роботами, или CAR (catalytic antimicrobial robots). Обе системы способны разлагать и удалять биопленки. В первом случае наночастицы оксида железа суспендируются в растворе, который затем можно контролировать с помощью магнитного поля, чтобы удалить биопленки на поверхности подобно плугу. Второй тип роботов внедряет наночастицы в гелевые формы и очищает труднодоступные участки от биопленок.
Оба типа CAR эффективно убивают бактерии, разрушают окружающую матрицу и удаляют загрязнения с высокой точностью. После тестирования роботов на биопленках, растущих на плоской стеклянной поверхности или в герметичных стеклянных пробирках, исследователи попробовали применить их в клинических условиях: удалить биопленку с труднодоступных частей человеческого зуба. Роботы CAR были способны разрушать и удалять бактериальные биопленки не только с поверхности зуба, но и из труднодоступных интерпроксимальных каркасов, где обычно образуются биопленки.
— Существующие методы лечения биопленок неэффективны, поскольку они не могут одновременно разрушать защитную матрицу и убивать бактерии, живущие в ней. Наши роботы могут делать все это одновременно и очень эффективно. Они не оставляют следов биопленки», — объяснил Ку.
— Мы рассматриваем роботов как автоматические системы, которые предпринимают действия на основе активно собираемой информации, — говорит Штегер. — В этом случае движение робота может быть адаптировано к изображениям биопленки, полученным с помощью микрокамер или других методов медицинской визуализации, добавил он.
Источник: Университет Пенсильвании, фото Geelsu Hwang и Edward Steager/University of Pennsylvania. На изображении показан эффект удаления микророботами биопленки со стеклянной бляшки.
