Ein formverändernder Roboter-Mikroschwarm könnte eines Tages als Zahnbürste, Spülung und Zahnseide in einem fungieren. Die von einem multidisziplinären Team an der University of Pennsylvania entwickelte Technologie soll eine neue und automatisierte Möglichkeit bieten, die alltäglichen, aber wichtigen Aufgaben des Zähneputzens und der Verwendung von Zahnseide zu erledigen. Es handelt sich um ein System, das besonders für diejenigen von Nutzen sein könnte, denen die manuelle Geschicklichkeit fehlt, ihre Zähne selbst effektiv zu reinigen.

Die Bausteine ​​dieser Mikroroboter sind Eisenoxid-Nanopartikel, die sowohl katalytische als auch magnetische Aktivität aufweisen. Verwendung einer magnetisches Feld, könnten Forscher ihre Bewegung und Konfiguration so steuern, dass sie borstenartige Strukturen bilden, die Zahnbelag von den breiten Oberflächen entfernen Zähneoder längliche Fäden, die wie ein Stück Zahnseide zwischen die Zähne gleiten können. In beiden Fällen treibt eine katalytische Reaktion die Nanopartikel dazu an, antimikrobielle Wirkstoffe zu produzieren, die schädliche Mundbakterien vor Ort abtöten.

Experimente mit diesem System an künstlichen und echten menschlichen Zähnen zeigten, dass sich die Roboterbaugruppen an eine Vielzahl von Formen anpassen können, um klebrige Biofilme, die zu Karies und Zahnfleischerkrankungen führen, nahezu zu beseitigen. Das Penn-Team teilte seine Ergebnisse mit und erstellte einen Machbarkeitsnachweis für das Robotersystem in der Zeitschrift ACS Nano.

„Routinemäßige Mundpflege ist mühsam und kann für viele Menschen eine Herausforderung darstellen, insbesondere für diejenigen, denen das Zähneputzen schwerfällt“, sagt Hyun (Michel) Koo, Professor in der Abteilung für Kieferorthopädie und den Abteilungen für kommunale Mundgesundheit und Kinderzahnheilkunde an der Penn's School of Dental Medicine und Mitautor der Studie. „Sie müssen Ihre Zähne putzen, dann Zahnseide verwenden und dann Ihren Mund ausspülen; Es handelt sich um einen manuellen, mehrstufigen Prozess. Die große Innovation besteht darin, dass das Robotersystem alle drei Aufgaben auf eine einzige, freihändige und automatisierte Weise erledigen kann.“

„Nanopartikel können mit Magnetfeldern auf überraschende Weise geformt und kontrolliert werden“, sagt Edward Steager, leitender Forschungsforscher an der Penn's School of Engineering and Applied Science und Mitautor. „Wir bilden Borsten, die sich ausdehnen, streichen und sogar im Raum hin- und herbewegen können, ähnlich wie bei Zahnseide. Die Funktionsweise ähnelt der eines Roboterarms, der eine Oberfläche ausstreckt und reinigt. Das System kann so programmiert werden, dass es den Zusammenbau der Nanopartikel und die Bewegungssteuerung automatisch durchführt.“

Revolutionäre Mundpflegetechnologie

„Das Design der Zahnbürste ist seit Jahrtausenden relativ unverändert geblieben“, sagt Koo.

Während das Hinzufügen von Elektromotoren das grundlegende „Borsten-auf-einem-Stiel-Format“ verbesserte, ist das grundlegende Konzept dasselbe geblieben. „Es ist eine Technologie, die seit Jahrzehnten nicht verändert wurde.“

Vor einigen Jahren unternahmen Penn-Forscher am Center for Innovation & Precision Dentistry (CiPD), dessen Co-Direktor Koo ist, mithilfe dieses Mikrorobotiksystems Schritte in Richtung einer großen Revolution.

Ihre Innovation entstand aus einem kleinen Zufall. Forschungsgruppen sowohl in der Penn Dental Medicine als auch in der Penn Engineering waren an Eisenoxid-Nanopartikeln interessiert, allerdings aus ganz unterschiedlichen Gründen. Koos Gruppe war von der katalytischen Aktivität der Nanopartikel fasziniert. Sie können Wasserstoffperoxid aktivieren, um freie Radikale freizusetzen, die Karies verursachende Bakterien abtöten können Abbau von Zahnbelag-Biofilmen. In der Zwischenzeit untersuchten Steager und Ingenieurskollegen, darunter Dekan Vijay Kumar und Professorin Kathleen Stebe, Co-Direktorin des CiPD, diese Nanopartikel als Bausteine ​​von magnetisch gesteuerte Mikroroboter.

Mit Unterstützung von Penn Health Tech und dem National Institute of Dental and Craniofacial Research der National Institutes of Health kombinierten die Penn-Mitarbeiter die beiden Anwendungen in der aktuellen Arbeit und bauten eine Plattform zur elektromagnetischen Steuerung der Mikroroboter, die es ihnen ermöglichte, unterschiedliche Konfigurationen anzunehmen und antimikrobielle Wirkstoffe freizusetzen vor Ort, um Zähne effektiv zu behandeln und zu reinigen.

„Es spielt keine Rolle, ob Sie gerade Zähne oder eine Zahnfehlstellung haben, es passt sich an unterschiedliche Oberflächen an“, sagt Koo. „Das System kann sich an alle Ecken und Winkel der Mundhöhle anpassen.“

Die Forscher optimierten die Bewegungen der Mikroroboter auf einer kleinen Platte aus zahnähnlichem Material. Als nächstes testeten sie die Leistung der Mikroroboter bei der Anpassung an die komplexe Topographie der Zahnoberfläche, der Interdentalflächen und des Zahnfleischrandes, indem sie 3D-gedruckte Zahnmodelle verwendeten, die auf Scans menschlicher Zähne aus der Zahnklinik basierten. Schließlich testeten sie die Mikroroboter an echten menschlichen Zähnen, die so montiert waren, dass sie die Position der Zähne in der Mundhöhle nachahmten.

Auf diesen verschiedenen Oberflächen stellten die Forscher fest, dass das Mikrorobotersystem Biofilme effektiv beseitigen und sie von allen nachweisbaren Krankheitserregern befreien konnte. Der Eisenoxid-Nanopartikel wurden von der FDA für andere Anwendungen zugelassen, und Tests der Borstenformationen an einem Tiermodell zeigten, dass sie das Zahnfleischgewebe nicht schädigten.

Tatsächlich ist das System vollständig programmierbar; Die Robotiker und Ingenieure des Teams verwendeten Variationen davon magnetisches Feld um die Bewegungen der Mikroroboter präzise abzustimmen und die Steifheit und Länge der Borsten zu steuern. Die Forscher fanden heraus, dass die Borstenspitzen fest genug gemacht werden konnten, um Biofilme zu entfernen, aber weich genug, um Schäden am Zahnfleisch zu vermeiden.

Die anpassbare Beschaffenheit des Systems, sagen die Forscher, könnte es sanft genug für den klinischen Einsatz machen, aber auch personalisiert und in der Lage sein, sich an die einzigartigen Topographien der Mundhöhle eines Patienten anzupassen.

Um diese Technologie in der Klinik voranzutreiben, optimiert das Penn-Team weiterhin die Bewegungen der Roboter und erwägt verschiedene Möglichkeiten, die Mikroroboter durch in den Mund passende Geräte zu transportieren.

Sie möchten unbedingt sehen, dass ihr Gerät den Patienten hilft.

„Wir verfügen über eine Technologie, die genauso effektiv ist wie das Zähneputzen und die Verwendung von Zahnseide, aber keine manuelle Geschicklichkeit erfordert“, sagt Koo. „Wir würden uns freuen, wenn dies der geriatrischen Bevölkerung und Menschen mit Behinderungen hilft. Wir glauben, dass es die aktuellen Modalitäten revolutionieren und die Mundgesundheitsversorgung erheblich voranbringen wird.“