Μια επίσκεψη στον οδοντίατρο είναι συνήθως χρονοβόρα και μερικές φορές περιλαμβάνει μια δυσάρεστη απόξεση με μηχανικά εργαλεία για να απομακρυνθεί η οδοντική πλάκα από τα δόντια. Τι γίνεται αν, αντίθετα, ένας οδοντίατρος θα μπορούσε να αναπτύξει μια μικρή στρατιά από μικροσκοπικά ρομπότ για να απομακρύνει με ακρίβεια και χωρίς να εισβάλλει αυτή η συσσώρευση;
Μια ομάδα μηχανικών, οδοντιάτρων και βιολόγων από το Πανεπιστήμιο της Πενσιλβανίας ανέπτυξε ένα μικροσκοπικό ρομποτικό καθαριστικό πλήρωμα. Με δύο τύπους ρομποτικών συστημάτων – ένας σχεδιασμένος για να δουλεύει σε επιφάνειες και ο άλλος για να λειτουργεί μέσα σε περιορισμένους χώρους – οι επιστήμονες έδειξαν ότι τα ρομπότ με καταλυτική δραστηριότητα θα μπορούσαν να καταστρέψουν τα βιολογικά φιλμ, κολλώδεις συγχωνεύσεις βακτηρίων που σφραγίζονται σε προστατευτικό ικρίωμα. Τέτοια συστήματα ρομποτικής απομάκρυνσης βιοφίλμ θα μπορούσαν να είναι πολύτιμα σε ένα ευρύ φάσμα πιθανών εφαρμογών, από το να διατηρούνται καθαρά οι σωληνίσκοι νερού και οι καθετήρες, έως να μειώνεται ο κίνδυνος φθοράς των δοντιών, ενδοδοντικών λοιμώξεων και μόλυνσης εμφυτεύματος.
Το έργο, που δημοσιεύτηκε στο Science Robotics, ήταν υπό την ηγεσία του Hyun (Michel) Koo της Σχολής Οδοντιατρικής και του Edward Steager της Σχολής Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών.
«Αυτή ήταν μια πραγματικά συνεργιστική και πολυεπιστημονική αλληλεπίδραση», λέει ο Koo. «Αξιοποιούμε την εμπειρία των μικροβιολόγων και των κλινικών επιστημόνων, καθώς και των μηχανικών για να σχεδιάσουμε το καλύτερο δυνατό σύστημα εξάλειψης μικροβίων. Αυτό είναι σημαντικό για άλλα βιοϊατρικά πεδία που αντιμετωπίζουν βιοφαρμακευτικά ανθεκτικά φάρμακα καθώς προσεγγίζουμε μια εποχή μετά το αντιβιοτικό».
«Η αντιμετώπιση των βιολογικών ταινιών που εμφανίζονται στα δόντια απαιτεί μεγάλη χειρωνακτική εργασία, τόσο από την πλευρά του καταναλωτή όσο και από τον επαγγελματία», προσθέτει ο Steager. «Ελπίζουμε να βελτιώσουμε τις επιλογές θεραπείας καθώς και να μειώσουμε τη δυσκολία της περίθαλψης».
Τα βιοφίλμ μπορεί να προκύψουν σε βιολογικές επιφάνειες, όπως σε δόντι ή σε άρθρωση ή σε αντικείμενα, όπως σωλήνες νερού, εμφυτεύματα ή καθετήρες. Όπου σχηματίζονται βιοφίλμ, είναι δύσκολο να απομακρυνθούν, καθώς η κολλώδης μήτρα που συγκρατεί τα βακτήρια παρέχει προστασία από αντιμικροβιακούς παράγοντες.
Σε προηγούμενες εργασίες, ο Koo και οι συνάδελφοί του έχουν σημειώσει πρόοδο στην καταστροφή του πίνακα βιοφίλμ με μια ποικιλία πρωτοποριακών μεθόδων. Μια στρατηγική ήταν η χρήση νανοσωματιδίων που περιέχουν οξείδιο του σιδήρου, τα οποία λειτουργούν καταλυτικά, ενεργοποιώντας το υπεροξείδιο του υδρογόνου για να απελευθερώσουν ελεύθερες ρίζες που μπορούν να εξοντώσουν τα βακτήρια και να καταστρέψουν τα βιοφίλμ με στοχοθετημένο τρόπο.
Η ομάδα του Penn Dental Medicine διαπίστωσε ότι οι ομάδες της Penn Engineering με επικεφαλής τον Steager, Vijay Kumar και Kathleen Stebe συνεργάζονταν με μια ρομποτική πλατφόρμα που χρησιμοποίησε πολύ παρόμοια νανοσωματίδια οξειδίου του σιδήρου ως δομικά στοιχεία για microrobots. Οι μηχανικοί ελέγχουν τη μετακίνηση αυτών των ρομπότ χρησιμοποιώντας ένα μαγνητικό πεδίο, επιτρέποντας έτσι έναν ελεύθερο τρόπο πρόσδεσης.
Μαζί, η διασταυρούμενη ομάδα σχεδίασε, βελτιστοποίησε και δοκίμασε δύο τύπους ρομποτικών συστημάτων, τα οποία η ομάδα ονομάζει καταλυτικά αντιμικροβιακά ρομπότ, ή CARs, ικανά να υποβαθμίσουν και να απομακρύνουν βιοφίλμ και κατ’επέκταση την οδοντική πλάκα. Η πρώτη αφορά την εναιώρηση νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου σε ένα διάλυμα, το οποίο στη συνέχεια μπορεί να κατευθύνεται από μαγνήτες για την απομάκρυνση των βιοφίλμ σε μια επιφάνεια με τρόπο παρόμοιο με το άροτρο. Η δεύτερη πλατφόρμα περιλαμβάνει την ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων σε καλούπια πηκτής σε τρισδιάστατα σχήματα. Αυτά χρησιμοποιήθηκαν για να στοχεύσουν και να καταστρέψουν τα βιοφίλμ που φράζουν τους κλειστούς σωλήνες.
Και οι δύο τύποι CARs (Catalytic antimicrobial robots) σκότωσαν αποτελεσματικά τα βακτηρίδια, έσπασαν την μήτρα που τους περιβάλλει και αφαιρούν τα θραύσματα με μεγάλη ακρίβεια. Μετά την εξέταση των ρομπότ σε βιοφίλμ που αναπτύσσονται είτε σε επίπεδη γυάλινη επιφάνεια είτε σε κλειστούς γυάλινους σωλήνες, οι ερευνητές δοκιμάζουν μια πιο κλινικά σημαντική εφαρμογή: Αφαίρεση του βιοφίλμ από τα δυσπρόσιτα μέρη ενός ανθρώπινου δοντιού.
Τα CARs ήταν σε θέση να αποικοδομήσουν και να απομακρύνουν τα βακτηριακά βιοφίλμ όχι μόνο από την επιφάνεια των δοντιών αλλά από ένα από τα δυσκολότερα προς πρόσβαση τμήματα ενός δοντιού, τον ισθμό, έναν στενό διάδρομο μεταξύ των ριζικών καναλιών όπου συχνά αναπτύσσονται βιοφίλμ.
«Οι υπάρχουσες θεραπείες για τα βιοφίλμ είναι αναποτελεσματικές επειδή είναι ανίκανες να υποβαθμίσουν ταυτόχρονα την προστατευτική μήτρα, να σκοτώσουν τα ενσωματωμένα βακτήρια και να απομακρύνουν φυσικά τα βιοαποικοδομημένα προϊόντα», λέει ο Koo. «Αυτά τα ρομπότ μπορούν να κάνουν και τα τρία ταυτόχρονα πολύ αποτελεσματικά, χωρίς να αφήνουν ίχνη βιοφίλμ».
Με την αφαίρεση των υποβαθμισμένων υπολειμμάτων από την οδοντική πλάκα, λέει ο Koo, η πιθανότητα να πάρει και να ανακάμψει μειώνεται σημαντικά. Οι ερευνητές προβλέπουν ότι κατευθύνουν ακριβώς αυτά τα ρομπότ οπουδήποτε πρέπει να πάνε για να αφαιρέσουν την οδοντική πλάκα, είτε πρόκειται για ένα εσωτερικό καθετήρα ή μια γραμμή ύδατος είτε για δύσκολες επιφάνειες των δοντιών.
«Σκεφτόμαστε τα ρομπότ ως αυτοματοποιημένα συστήματα που λαμβάνουν μέτρα με βάση πληροφορίες που συλλέγονται ενεργά», λέει ο Steager. Σε αυτή την περίπτωση, λέει, «η κίνηση του ρομπότ μπορεί να ενημερωθεί από εικόνες του βιοφίλμ που συγκεντρώθηκαν από μικροκάμερες ή άλλους τρόπους ιατρικής απεικόνισης».
Για να μετακινηθεί η καινοτομία στο δρόμο προς την κλινική εφαρμογή, οι ερευνητές λαμβάνουν υποστήριξη από το Penn Center for Health, Devices and Technology, μια πρωτοβουλία που υποστηρίζεται από την Penn’s Perelman School of Medicine, την Penn Engineering και το Office of the Vice Provost for Research. Το Penn Health-Tech, όπως είναι γνωστό, απονέμει επιλεγμένες διεπιστημονικές ομάδες με υποστήριξη για τη δημιουργία νέων τεχνολογιών υγείας και το σχέδιο ρομποτικών πλατφορμών ήταν ένα από τα βραβεία που έλαβαν το 2018.
«Η ομάδα έχει ένα μεγάλο κλινικό υπόβαθρο στην οδοντιατρική πλευρά και ένα εξαιρετικό τεχνικό υπόβαθρο στην κατασκευαστική πλευρά», λέει η Victoria Berenholz, εκτελεστική διευθύντρια της Penn Health-Tech. «Είμαστε εδώ για να τις ολοκληρώσουμε από την πλευρά των επιχειρήσεων, έχουν κάνει πραγματικά μια φανταστική δουλειά στο έργο».
