Нанороботы могут заменить обычную зубную щетку
Зубная щетка это, по сути, палочка с щетинками и ее концепция не особо изменилась как технология с тех пор, как древние жители Вавилона и Египта ходили по земле более 5000 лет назад. В настоящее врем ученые из Пенсильванского университета готовятся предложить осуществлять чистку зубов с помощью роя микроскопических «роботов», которые могут выполнять работу зубной щетки, зубной нити и ополаскивателя для полости рта одновременно.
Новое исследование демонстрирует осуществимость роботизированной системы, которая однажды может быть адаптирована для использования человеком.
«Мы хотим помочь людям с ограниченными возможностями и пожилым людям, которым не хватает ловкости рук для выполнения обычного ухода за полостью рта», — говорит ученый-стоматолог и старший автор доктор Хен (Мишель) Ку, кандидат наук. «Это неудовлетворенная потребность в уходе за полостью рта, и пришло время изменить технологию».
Роботы на самом деле представляют собой наноразмерные частицы оксида железа, каждая меньше пыльцевого зерна примерно в 100 раз. При приближении магнита наночастицы группируются в ряд нитей, называемых щетинками, которые выстраиваются вдоль направления магнитного поля. Внося точные коррективы в поле, исследователи могли точно направлять движения щетинок, регулировать их жесткость, а также укорачивать или удлинять их.
«Одна из замечательных особенностей работы с магнитными полями заключается в том, что они проникают в ткани и безвредны на том уровне, на котором мы их используем, а это означает, что система может проникать в труднодоступные места», — говорит инженер по микророботике и соавтор исследования Эдвард Стиджер, кандидат наук.
Способность роботов к чистке исследователи протестировали на нескольких поверхностях, включая 3D-печатную модель передних зубов человека, настоящие передние зубы человека, установленные на искусственных деснах, и часть челюсти свиньи, на которой присутствовали десны и зубы.
Наноботы могут одновременно чистить зубы щеткой, пользоваться зубной нитью и полоскать.
Как видно на фото, эти роботизированные конструкции могут быть автоматизированы и изменять формы от щетинок до нитей, которые соответствуют поверхности зубов и очищают укромные уголки и щели между зубами. Отдельный эксперимент показал, что они достаточно мягкие, чтобы не повредить десны, но достаточно прочные, чтобы разрушить биопленки, также известные как зубной налет.
Когда дело доходит до разрушения биопленок, у этих роботизированных наночастиц есть еще один козырь в рукаве. Они обладают естественной способностью запускать химические реакции, которые высвобождают молекулы, убивающие микробов, по сути, создавая антимикробный ополаскиватель на месте. В экспериментах это позволяло крошечным армиям роботов как разрушать биопленки, так и убивать бактерии внутри, не оставляя после себя живых патогенов.
Слева: Биопленки, выращенные на человеческих зубах и окрашенные в розовый цвет для наглядности.
Справа: Зубы, почти полностью вычищенные микроботами.
Роботы также могли бы сметать и собирать мусор, содержащий мертвые патогены. По словам ученых, микробное содержимое этого материала может быть проанализировано для выявления патогенов и других индикаторов заболеваний, которые в один прекрасный день могут оказаться полезными для прогнозирования и диагностики заболеваний в полости рта и других частях тела.
Но прежде чем отправить взвод крошечных роботов в человеческий рот, исследователи говорят, что необходимы клинические испытания. Чтобы оптимизировать роботизированную систему и сделать ее доступной для повседневного использования, команда планирует разработать прототипы, которые помещаются во рту. Они представляют собой полностью автоматизированную систему, которая может адаптироваться к уникальным особенностям полости рта человека, обеспечивая индивидуальный уход за полостью рта.
Группа изучает и другие области применения. В исследовании, подтверждающем концепцию, исследователи показали, что микророботы могут магнитно перемещаться по корневому каналу для удаления биопленок и, возможно, для переноса и доставки лекарств. Помимо стоматологии, ученые видят роль технологии в очистке внутри загрязненных биопленкой катетеров, хирургических имплантатов и даже водопроводных труб.
«Когда вы видите такой результат, который открывает совершенно новую область и приложения, это также захватывающе, как и в исследованиях», — говорит Стиджер.