微型机器人大军可以消灭牙菌斑黄蓝白

微型机器人大军可以消灭牙菌斑

拜访牙医通常需要耗时，有时会用机械工具刮擦，以去除牙齿上的牙菌斑。

相反，如果牙医可以部署一支由小型机器人组成的小部队来精确无创地清除积聚的东西，该怎么办？

宾夕法尼亚大学的一组工程师，牙医和生物学家组成了一个微观的机器人清洁团队。

利用两种类型的机器人系统-一种设计为在表面上工作，另一种设计为在密闭空间内运行-科学家们证明，具有催化活性的机器人可以有效地破坏生物膜，细菌的粘性融合会散布在保护性支架中

从保持水管和导管清洁到降低蛀牙，牙髓感染和植入物污染的风险，此类机器人生物膜去除系统在广泛的潜在应用中可能有价值。

该研究成果发表在《科学机器人》杂志上，由牙科医学院的HyunKoo和工程与应用科学学院的Edward Steager领导。

Koo说：“这是一次真正的协同和多学科互动。” “我们正在利用微生物学家，临床科学家以及工程师的专业知识来设计最佳的微生物消除系统。

这对于面对抗生素时代后的其他具有耐药性生物膜的生物医学领域至关重要。”

汽车以微米级精度去除培养皿中生物膜的视频。

Steager补充说：“治疗牙齿上的生物膜需要大量的体力劳动，无论是对于消费者还是专业人士而言。” “我们希望改善治疗选择并减少护理难度。”

生物膜可以出现在生物表面上，例如牙齿，关节或物体上，例如水管，植入物或导管。无论在何处形成生物膜，众所周知，它们难以去除，因为保持细菌的粘性基质可提供抗微生物剂的保护。

在以前的工作中，Koo及其同事在利用各种现成的方法分解生物膜基质方面取得了进展。一种策略是采用具有催化作用的含氧化铁的纳米颗粒，活化过氧化氢释放自由基，该自由基可以有针对性地杀死细菌并破坏生物膜。

宾夕法尼亚州牙科医学小组偶然发现，由Steager，Vijay Kumar和Kathleen Stebe领导的Penn Engineering团队正在使用一个机器人平台，该平台使用非常相似的氧化铁纳米颗粒作为微型机器人的构建基块。工程师利用磁场控制这些机器人的运动，从而实现了无系链的操纵方式。

螺旋状汽车从玻璃试管弯曲表面去除生物膜的视频。

跨校团队共同设计，优化和测试了两种类型的机器人系统，该小组称其为能够降解和去除生物膜的催化抗菌机器人或CAR。

第一种方法是将氧化铁纳米颗粒悬浮在溶液中，然后可以用磁铁引导它们以类似犁的方式除去表面上的生物膜。第二平台需要将纳米颗粒以三维形状嵌入到凝胶模具中。这些被用来瞄准和破坏堵塞封闭管的生物膜。

两种类型的CAR都能有效杀死细菌，分解周围细菌的基质，并以高精度清除碎片。在对机器人进行测试后，研究人员在平板玻璃表面或封闭玻璃管上生长的生物膜上进行了测试，然后研究了一种更具临床意义的应用：从人牙齿难以触及的部位去除生物膜。

CARs不仅能够降解和去除细菌生物膜，而且不仅能够去除牙齿表面的细菌生物膜，而且还能够去除牙齿的最难进入的部分之一-峡部，这是生物膜通常在其中生长的根管之间的狭窄走廊。

Koo说：“现有的生物膜处理方法无效，因为它们无法同时降解保护基质，杀死嵌入的细菌和物理去除生物降解产物。” 这些机器人可以非常有效地一次完成所有这三个操作，而不会留下任何生物膜的痕迹。”

Koo说，通过耕种降解的生物膜残留物，其被抓住并重新生长的机会大大减少。研究人员设想将这些机器人精确地定向到需要去除生物膜的任何地方，无论是导管内部，水管内部还是难以到达的牙齿表面。

Steager表示：“我们将机器人视为自动系统，可以根据主动收集的信息采取行动。” 他说，在这种情况下，“机器人的运动可以通过从微相机或其他医学成像模式收集的生物膜图像来告知。”

为了将创新推向临床应用之路，研究人员获得了宾夕法尼亚大学健康，设备和技术中心的支持，该中心由宾夕法尼亚大学佩雷??尔曼医学院，宾夕法尼亚工程学院和副教务长办公室支持。众所周知，宾夕法尼亚大学健康技术学院向选定的跨学科小组授予创建新健康技术的支持，而机器人平台项目是2018年获得支持的项目之一。

Penn Health-Tech执行董事Victoria Berenholz说：“该团队在牙科方面具有良好的临床背景，在工程方面具有良好的技术背景。” “我们通过将他们与Penn社区中的业务指导者和资源联系起来以翻译他们的技术来帮助完善他们。他们确实在该项目上做得非常出色。”

除了Koo，Steager，Stebe和Kumar之外，该研究还由第一作者Geelsu Hwang，Amauri J. Paula，Yuan Liu，Alaa Babeer和Bekir Karabucak和Elizabeth E. Hunter合着。工程与应用科学学院。

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