Посещение стоматолога обычно включает в себя трудоемкую, и иногда неприятную, процедуру по удалению зубного налета с помощью механических инструментов. Что, если вместо этого дантист может запустить к вам в рот небольшую армию крошечных роботов, чтобы точно и неинвазивно удалить эти накопления?
Команда инженеров, дантистов и биологов из Университета Пенсильвании разработала микроскопическую роботизированную команду очистки. С помощью двух типов роботизированных систем — одна предназначена для работы на поверхности, а другая для работы в замкнутых пространствах — ученые показали, что роботы с каталитической активностью могут умело разрушать биопленки, липкие слияния бактерий, запутанных в защитных подложках. Такие роботизированные системы удаления биопленки могут быть полезны в широком спектре потенциальных применений, от поддержания водопроводных труб и катетеров в чистоте, до снижения риска кариеса зубов, эндодонтических инфекций и загрязнения имплантатов.
Работу, опубликованную в Science Robotics, возглавили её Хен (Мишель) Ку из Школы стоматологической медицины и Эдвард Стигер из Школы инженерных и прикладных наук.
«Это было действительно синергетическое и многодисциплинарное взаимодействие», — говорит Ку. «Мы используем опыт микробиологов и клиницистов-ученых, а также инженеров, для разработки наилучшей микробной системы эрадикации. Это важно для других биомедицинских областей, сталкивающихся с лекарственно устойчивыми биопленками, поскольку мы приближаемся к эре после антибиотиков.»
«Удаление биопленок, которые возникают на зубах, требует большого ручного труда, как со стороны пациента, так и со стороны стоматолога», — добавляет Стигер. «Мы надеемся улучшить варианты лечения, а также уменьшить сложность ухода.»
Биопленки могут возникать на биологических поверхностях, таких как зубы, суставы или объекты, такие как водопроводные трубы, имплантаты или катетеры. Везде, где образуются биопленки, их, как известно, трудно удалить, поскольку 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. Одна из стратегий заключается в использовании содержащих оксид железа наночастиц, которые работают каталитически, активируя перекись водорода для высвобождения свободных радикалов, способных убивать бактерии и целенаправленно разрушать биопленки.
По счастливой случайности, команда стоматологов из Пенсильвании обнаружила, что группы в Penn Engineering во главе со Стиджером, Виджаем Кумаром и Кэтлин Стебе работали с роботизированной платформой, которая использовала очень похожие наночастицы оксида железа в качестве строительных блоков для микророботов. Инженеры контролируют движение этих роботов с помощью магнитного поля, позволяя управлять ими без привязи.
Вместе команда специалистов разработала, оптимизировала и протестировала два типа роботизированных систем, которых группа называет каталитическими противомикробными роботами (catalytic antimicrobial robots) или CAR, способными разрушать и удалять биопленки. Первая система включает в себя суспендирование наночастиц оксида железа в растворе, который затем может быть направлен магнитами для удаления биопленок на поверхности плужным способом. Вторая система подразумевает встраивание наночастиц в гелевые формы в трехмерной форме. Они использовались для нацеливания и уничтожения биопленок, забивающих закрытые трубки.
Оба типа CAR эффективно убивали бактерии, разрушали матрицу, которая их окружает, и удаляли мусор с высокой точностью. После тестирования роботов на биопленках, растущих на плоской стеклянной поверхности или закрытых стеклянных трубках, исследователи опробовали более клинически актуальное применение: удаление биопленки из труднодоступных частей человеческого зуба.
Каталитические противомикробные роботы (CAR) смогли разрушить и удалить бактериальные биопленки не только с поверхности зуба, но и с одной из самых труднодоступных частей зуба, перешейка, узкого коридора между корневыми каналами, где обычно растут биопленки.
«Существующие методы лечения биопленок неэффективны, потому что они неспособны одновременно разрушать защитную матрицу, убивать внедренные бактерии и физически удалять биоразлагаемые продукты», — говорит Ку. «Эти роботы могут решать все эти три задачи сразу очень эффективно, не оставляя следов биопленки вообще.»
Вычищая разрушенные остатки биопленки, Ку говорит, что вероятность их закрепления и повторного роста существенно уменьшается. Исследователи предполагают точно направлять этих роботов туда, куда нужно, чтобы удалить биопленки, будь то внутри катетера, трубы или по линии воды или в труднодоступных поверхностях зубов.
«Мы думаем о роботах как об автоматизированных системах, которые принимают меры на основе активно собираемой информации», — говорит Стигер. В этом случае, говорит он, «движение робота может быть информировано изображениями биопленки, собранной из микрокамер или других способов медицинской визуализации.»
Источник: University of Pennsylvania