la visita dal dentista in genere comporta una raschiatura che richiede tempo e talvolta spiacevole con strumenti meccanici per rimuovere la placca dai denti. Cosa succede se, Invece, un dentista potrebbe schierare un piccolo esercito di minuscoli robot per rimuovere in modo preciso e non invasivo quell'accumulo?

Un team di ingegneri, dentisti, e i biologi dell'Università della Pennsylvania hanno sviluppato una microscopica squadra di pulizia robotica. Con due tipi di sistemi robotici, uno progettato per funzionare su superfici e l'altro per operare all'interno di spazi confinati, gli scienziati hanno dimostrato che i robot con attività catalitica possono distruggere abilmente i biofilm, agglomerati appiccicosi di batteri intrappolati in un'impalcatura protettiva. Tali sistemi robotici di rimozione del biofilm potrebbero essere preziosi in un'ampia gamma di potenziali applicazioni, dal mantenere puliti i tubi dell'acqua e i cateteri alla riduzione del rischio di carie, infezioni endodontiche, e contaminazione dell'impianto.

Il lavoro, pubblicato in Robotica scientifica , è stato guidato da Hyun (Michel) Koo della School of Dental Medicine e Edward Steager della School of Engineering and Applied Science.

"Si è trattato di un'interazione davvero sinergica e multidisciplinare, " dice Koo. "Stiamo sfruttando l'esperienza di microbiologi e clinici-scienziati, nonché di ingegneri per progettare il miglior sistema di eradicazione microbica possibile. Questo è importante per altri campi biomedici che affrontano i biofilm resistenti ai farmaci mentre ci avviciniamo a un'era post-antibiotica".

"Il trattamento dei biofilm che si verificano sui denti richiede una grande quantità di lavoro manuale, sia da parte del consumatore che del professionista, " aggiunge Steager. "Speriamo di migliorare le opzioni di trattamento e ridurre la difficoltà di cura".

I biofilm possono formarsi su superfici biologiche, come su un dente o in un'articolazione o su oggetti, come tubi dell'acqua, impianti, o cateteri. Ovunque si formino biofilm, sono notoriamente difficili da rimuovere, poiché la matrice appiccicosa che contiene i batteri fornisce protezione dagli agenti antimicrobici.

Nei lavori precedenti, Koo e colleghi hanno fatto progressi nella scomposizione della matrice del biofilm con una varietà di metodi fuori dagli schemi. Una strategia è stata quella di impiegare nanoparticelle contenenti ossido di ferro che funzionano in modo catalitico, attivando il perossido di idrogeno per rilasciare radicali liberi che possono uccidere i batteri e distruggere i biofilm in modo mirato.

per caso, il team di Penn Dental Medicine ha scoperto che i gruppi della Penn Engineering guidati da Steager, Vijay Kumar, e Kathleen Stebe stavano lavorando con una piattaforma robotica che utilizzava nanoparticelle di ossido di ferro molto simili come elementi costitutivi per i microrobot. Gli ingegneri controllano il movimento di questi robot utilizzando un campo magnetico, consentendo un modo senza vincoli per guidarli.

Insieme, il team interscuola progettato, ottimizzato, e testato due tipi di sistemi robotici, che il gruppo chiama robot antimicrobici catalitici, o AUTO, in grado di degradare e rimuovere i biofilm. Il primo prevede la sospensione di nanoparticelle di ossido di ferro in una soluzione, che può quindi essere diretto da magneti per rimuovere i biofilm su una superficie in modo simile a un aratro. La seconda piattaforma prevede l'incorporamento delle nanoparticelle in stampi di gel in forme tridimensionali. Questi sono stati usati per mirare e distruggere i biofilm che ostruiscono i tubi chiusi.

Entrambi i tipi di CAR hanno ucciso efficacemente i batteri, abbattuto la matrice che li circonda, e rimosso i detriti con alta precisione. Dopo aver testato i robot su biofilm che crescono su una superficie di vetro piatta o su tubi di vetro chiusi, i ricercatori hanno provato un'applicazione clinicamente più rilevante:rimuovere il biofilm dalle parti difficili da raggiungere di un dente umano.

I CAR sono stati in grado di degradare e rimuovere i biofilm batterici non solo dalla superficie del dente, ma anche da una delle parti di un dente più difficili da raggiungere, l'istmo, uno stretto corridoio tra i canali radicolari dove crescono comunemente i biofilm.

"I trattamenti esistenti per i biofilm sono inefficaci perché non sono in grado di degradare contemporaneamente la matrice protettiva, uccidendo i batteri incorporati, e rimuovendo fisicamente i prodotti biodegradati, " dice Koo. "Questi robot possono fare tutti e tre contemporaneamente in modo molto efficace, senza lasciare alcuna traccia di biofilm."

Spazzando via i resti degradati del biofilm, Koo dice, la possibilità che prenda piede e ricresca diminuisce notevolmente. I ricercatori prevedono di dirigere con precisione questi robot ovunque debbano andare per rimuovere i biofilm, che si tratti dell'interno di un catetere o di una linea di galleggiamento o di superfici dentali difficili da raggiungere.

"Pensiamo ai robot come sistemi automatizzati che intraprendono azioni basate su informazioni raccolte attivamente, " dice Steager. In questo caso, lui dice, "il movimento del robot può essere informato da immagini del biofilm raccolte da microcamere o altre modalità di imaging medico".

Per spostare l'innovazione lungo la strada verso l'applicazione clinica, i ricercatori stanno ricevendo supporto dal Penn Center for Health, Dispositivi, e Tecnologia, un'iniziativa sostenuta dalla Perelman School of Medicine di Penn, Penn Engineering, e l'Ufficio del Prorettore per la Ricerca. Penn Health-Tech, come è noto, premia gruppi interdisciplinari selezionati con il supporto per creare nuove tecnologie sanitarie, e il progetto delle piattaforme robotiche è stato uno di quelli che hanno ricevuto il sostegno nel 2018.

"Il team ha un ottimo background clinico dal lato odontoiatrico e un ottimo background tecnico dal lato ingegneristico, "dice Victoria Berenholz, direttore esecutivo di Penn Health-Tech. "Aiutiamo a completarli collegandoli a mentori e risorse aziendali all'interno della comunità Penn per tradurre la loro tecnologia. Hanno davvero fatto un lavoro fantastico sul progetto".

Oltre a Koo, Steager, Stebe, e Kumar, lo studio è stato coautore del primo autore Geelsu Hwang, Amauri J. Paula, Yuan Liu, Alaa Babeer, e Bekir Karabucak, tutta la Scuola di Odontoiatria, ed Elizabeth E. Hunter della School of Engineering and Applied Science.