一支微型机器人大军可以清除牙菌斑

去看牙医通常需要耗费时间，有时还需要用机械工具刮掉牙菌斑。相反，如果牙医可以部署一小队微型机器人来精确地、非侵入性地清除这些异物呢?

宾夕法尼亚大学的一组工程师、牙医和生物学家开发了一个微型机器人清洁团队。通过两种类型的机器人系统——一种用于表面工作，另一种用于在密闭空间内工作——科学家们展示了具有催化活性的机器人能够有效地破坏生物膜，即包裹在保护性支架内的黏性细菌混合物。这种机器人生物膜去除系统可能在广泛的潜在应用中很有价值，从保持水管和导管的清洁到减少龋齿、牙髓感染和种植体污染的风险。

这项工作由牙科医学院的Hyun (Michel) Koo和工程与应用科学学院的Edward Steager领导。古永锵表示:“这是一种真正的协同和多学科互动。”“我们正在利用微生物学家、临床科学家和工程师的专业知识，尽可能设计出最好的微生物根除系统。随着我们进入后抗生素时代，这对其他面临耐药生物膜的生物医学领域来说非常重要。”

Steager补充说:“治疗牙齿上的生物膜需要大量的体力劳动，无论是消费者还是专业人员。”“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，如牙齿、关节或水管、植入物或导管等物体上。无论生物膜在哪里形成，它们都是出了名的难以去除，因为保存细菌的黏性基质提供了保护，使其不受抗菌剂的影响。

在之前的工作中，古永锵和他的同事们用各种非常规的方法在分解生物膜基质方面取得了进展。一种策略是使用含氧化铁的纳米颗粒作为催化剂，激活过氧化氢释放自由基，以一种靶向的方式杀死细菌并破坏生物膜。

意外的是，宾夕法尼亚大学牙科医学研究小组发现，由斯蒂格、维贾伊·库马尔和凯瑟琳·斯特贝领导的宾夕法尼亚大学工程学院团队正在研究一个机器人平台，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模块。工程师们利用磁场来控制这些机器人的运动，从而使它们能够自由地操纵。

这个跨学校的团队共同设计、优化和测试了两种机器人系统，他们称之为催化抗菌机器人(car)，能够降解和去除生物膜。第一种方法是将氧化铁纳米颗粒悬浮在溶液中，然后通过磁铁引导，以犁式的方式去除表面的生物膜。第二个平台需要将纳米颗粒以三维形状嵌入凝胶模具中。这些被用来瞄准和破坏堵塞封闭管道的生物膜。

这两种CARs都能有效地杀死细菌，分解周围的基质，并高精度地清除碎片。在对机器人在平板玻璃表面或封闭玻璃管上生长的生物膜进行测试后，研究人员尝试了一种更临床相关的应用:从人类牙齿难以触及的部分去除生物膜。

CARs不仅能够降解和去除牙齿表面的细菌生物膜，而且能够降解和去除牙齿中最难接近的部分——牙峡的细菌生物膜。牙峡是根管之间的一条狭窄走廊，生物膜通常生长在那里。“现有的生物膜治疗方法是无效的，因为它们不能同时降解保护基质，杀死嵌入的细菌，并物理地去除生物降解的产物，”Koo说。“这些机器人可以同时非常有效地完成这三件事，不会留下任何生物膜的痕迹。”

古说，通过清除生物膜的退化残留物，它扎根和重新生长的机会大大减少。研究人员设想精确地引导这些机器人到它们需要去的任何地方去去除生物膜，无论是导管内部、水管内部还是难以触及的牙齿表面。Steager说:“我们认为机器人是基于主动收集的信息采取行动的自动化系统。”在这种情况下，他说，“机器人的运动可以通过微型摄像机收集到的生物膜图像或其他医疗成像模式来决定。”

“这个团队在牙科方面有很好的临床背景，在工程方面也有很好的技术背景，”宾夕法尼亚健康科技公司的执行董事维多利亚·贝伦霍尔兹说。“我们通过将他们与宾夕法尼亚大学社区内的商业导师和资源联系起来，帮助他们实现技术翻译。他们在这个项目上做得非常出色。”