Микроскопические роботы чистят корневые каналы

Точным контролируемым движением микророботы очистили стеклянную пластину от биопленки Фото: www.sciencedaily.com

Визит к стоматологу обычно требует много времени, а иногда и неприятных манипуляций инструментами при удалении зубного камня. Что, если вместо этого стоматолог сможет применить небольшую армию крошечных роботов, чтобы точно и неинвазивно провести полную гигиену полости рта?

Команда инженеров, стоматологов и биологов из Университета Пенсильвании разработала микроскопических роботов-уборщиков. Роботы делятся на два типа – один предназначен для работы на поверхностях, а другой для замкнутых пространств. Ученые показали, что роботы могут успешно уничтожать биопленки – липкие соединения бактерий, образующие довольно прочные штаммы.

Такие роботизированные системы удаления биопленки могут быть полезны в широком спектре потенциальных применений, от поддержания чистоты водопроводных труб и катетеров, до снижения риска разрушения зубов, эндодонтических инфекций и загрязнения имплантатов.

Работой, опубликованной в Science Robotics, руководили Хюн (Мишель) Ку из Школы стоматологии и Эдвард Стигер из Школы инженерии и прикладных наук.

«Это было действительно синергетическое и междисциплинарное взаимодействие», – говорит один из руководителей Хюн (Мишель) 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 отказа от антибиотиков».

Биопленки могут возникать на биологических поверхностях, например, на зубах, протезированных суставах или на предметах, таких как водопроводные трубы, имплантаты или катетеры. Везде, где образуются биопленки, их, как известно, трудно удалить, так как липкая матрица, которая удерживает бактерии, обеспечивает защиту от антимикробных агентов.

В предыдущей работе Ку и его коллеги добились успехов в разрушении матрицы 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.

Как это обычно бывает, идею для дальнейшей работы обнаружили чисто случайно. Команда стоматологов обратила внимание на то, как в компании Penn Engineering 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 на некоторой дистанции.

Ученые и инженеры оптимизировали и протестировали два типа роботизированных систем, которые группа называет каталитическими антимикробными роботами, или CAR, способными разлагать и удалять биопленки. Первый включает суспендирование наночастиц оксида железа в растворе, который затем может быть направлен магнитами для удаления биопленок на поверхности. Второй тип предполагает встраивание наночастиц в специальные объемные гелевые формы. Они разрабатываются, чтобы разрушать биопленки в закрытых полостях, катетерах  и даже трубах.

На испытаниях оба типа эффективно уничтожали бактерии, разрушали матрицу, которая их окружала, и удаляли мусор 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.

CAR были способны разлагать и удалять бактериальные биопленки не только с поверхности зуба, но и из корневых каналов, где обычно растут биопленки при инфицировании.

«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 одновременно очень эффективно, не оставляя следов биопленки». По словам Ку, “распахивая” разрушенные остатки биопленки, система минимизирует вероятность повторного появления.

Разработку можно отнести к классу автоматизированных систем, поскольку возможна реализация функционирования на основе активно собираемой информации. Например, получая изображения с помощью микрокамер или других способов медицинской визуализации, для отслеживания результатов.

К разработке стали активно присматриваться инвесторы, предвидя мировую востребованность революционной системы, которая, как ожидается, охватит различные области медицины.

Источник: www.sciencedaily.com

    Джелсу Хван, Амаури Дж. Паула, Элизабет Э. Хантер, Юань Лю, Алаа Бабер, Бекир Карабучак, Кэтлин Стебе, Виджай Кумар, Эдвард Стеагер, Хен Ку. Каталитические антимикробные роботы для уничтожения биопленки. Science Robotics, 2019; 4 (29): eaaw2388 DOI: 10.1126 / scirobotics.aaw2388

Journal Reference:

  1. Geelsu Hwang, Amauri J. Paula, Elizabeth E. Hunter, Yuan Liu, Alaa Babeer, Bekir Karabucak, Kathleen Stebe, Vijay Kumar, Edward Steager, Hyun Koo. Catalytic antimicrobial robots for biofilm eradication. Science Robotics, 2019; 4 (29): eaaw2388 DOI: 10.1126/scirobotics.aaw2388