Un microsciame robotico mutaforma potrebbe un giorno fungere da spazzolino da denti, risciacquo e filo interdentale in uno. La tecnologia, sviluppata da un team multidisciplinare dell'Università della Pennsylvania, è pronta a offrire un modo nuovo e automatizzato per eseguire le attività quotidiane banali ma critiche di spazzolare e usare il filo interdentale. È un sistema che potrebbe essere particolarmente prezioso per coloro che non hanno la manualità necessaria per lavarsi i denti in modo efficace.

Gli elementi costitutivi di questi microrobot sono nanoparticelle di ossido di ferro che hanno sia attività catalitica che magnetica. Usando un campo magnetico, i ricercatori potrebbero dirigere il loro movimento e la loro configurazione per formare strutture simili a setole che spazzano via la placca dentale dalle ampie superfici dei denti, o fili allungati che possono scivolare tra i denti come un filo interdentale. In entrambi i casi, una reazione catalitica spinge le nanoparticelle a produrre antimicrobici che uccidono in loco i batteri orali dannosi.

Gli esperimenti che utilizzano questo sistema su denti umani finti e reali hanno dimostrato che gli assemblaggi robotici possono conformarsi a una varietà di forme per eliminare quasi i biofilm appiccicosi che portano a carie e malattie gengivali. Il team di Penn ha condiviso le sue scoperte che stabiliscono un proof-of-concept per il sistema robotico sulla rivista ACS Nano .

"L'igiene orale di routine è ingombrante e può rappresentare una sfida per molte persone, in particolare per coloro che hanno difficoltà a lavarsi i denti", afferma Hyun (Michel) Koo, professore presso il Dipartimento di Ortodonzia e le divisioni di Community Oral Health e Pediatric Dentistry presso la Penn's School di Odontoiatria e co-autore dello studio. "Devi lavarti i denti, poi usare il filo interdentale, quindi sciacquarti la bocca; è un processo manuale in più fasi. La grande innovazione qui è che il sistema robotico può fare tutto e tre in un unico modo automatizzato a mani libere ."

"Le nanoparticelle possono essere modellate e controllate con i campi magnetici in modi sorprendenti", afferma Edward Steager, ricercatore senior presso la Penn's School of Engineering and Applied Science e co-autore corrispondente. "Formiamo setole che possono estendersi, spazzare e persino trasferirsi avanti e indietro attraverso uno spazio, proprio come il filo interdentale. Il modo in cui funziona è simile a come un braccio robotico potrebbe allungare la mano e pulire una superficie. Il sistema può essere programmato per farlo automaticamente l'assemblaggio delle nanoparticelle e il controllo del movimento."

Interrompere la tecnologia per l'igiene orale

"Il design dello spazzolino è rimasto relativamente invariato per millenni", afferma Koo.

Sebbene l'aggiunta di motori elettrici abbia elevato il "formato setole su un bastoncino", il concetto fondamentale è rimasto lo stesso. "È una tecnologia che non viene interrotta da decenni."

Diversi anni fa, i ricercatori Penn all'interno del Center for Innovation &Precision Dentistry (CiPD), di cui Koo è co-direttore, hanno preso provvedimenti verso una grave interruzione, utilizzando questo sistema di microrobotica.

La loro innovazione è nata da un po' di serendipità. I gruppi di ricerca sia della Penn Dental Medicine che della Penn Engineering erano interessati alle nanoparticelle di ossido di ferro, ma per ragioni molto diverse. Il gruppo di Koo era incuriosito dall'attività catalitica delle nanoparticelle. Possono attivare il perossido di idrogeno per rilasciare i radicali liberi che possono uccidere i batteri che causano la carie dentale e degradare i biofilm della placca dentale. Nel frattempo Steager e colleghi ingegneri, tra cui il preside Vijay Kumar e la professoressa Kathleen Stebe, co-direttore del CiPD, stavano esplorando queste nanoparticelle come elementi costitutivi di microrobot a controllo magnetico.

Con il supporto di Penn Health Tech e del National Institute of Dental and Craniofacial Research del National Institutes of Health, i collaboratori di Penn hanno sposato le due applicazioni nel lavoro in corso, costruendo una piattaforma per controllare elettromagneticamente i microrobot, consentendo loro di adottare diverse configurazioni e rilasciare antimicrobici in loco per trattare e pulire efficacemente i denti.

"Non importa se hai denti dritti o disallineati, si adatterà a diverse superfici", afferma Koo. "Il sistema può adattarsi a tutti gli angoli e le fessure della cavità orale."

I ricercatori hanno ottimizzato i movimenti dei microrobot su una piccola lastra di materiale simile a un dente. Successivamente, hanno testato le prestazioni dei microrobot che si adattano alla complessa topografia della superficie del dente, delle superfici interdentali e del bordo gengivale, utilizzando modelli dentali stampati in 3D basati su scansioni di denti umani dalla clinica odontoiatrica. Infine, hanno testato i microrobot su veri denti umani che sono stati montati in modo tale da imitare la posizione dei denti nella cavità orale.

Su queste varie superfici, i ricercatori hanno scoperto che il sistema di microrobotica potrebbe eliminare efficacemente i biofilm, liberandoli da tutti i patogeni rilevabili. Le nanoparticelle di ossido di ferro sono state approvate dalla FDA per altri usi e i test delle formazioni di setole su un modello animale hanno dimostrato che non danneggiano il tessuto gengivale.

Il sistema, infatti, è completamente programmabile; i robotici e gli ingegneri del team hanno utilizzato le variazioni del campo magnetico per regolare con precisione i movimenti dei microrobot e per controllare la rigidità e la lunghezza delle setole. I ricercatori hanno scoperto che le punte delle setole potrebbero essere sufficientemente solide da rimuovere i biofilm ma sufficientemente morbide da evitare danni alle gengive.

La natura personalizzabile del sistema, affermano i ricercatori, potrebbe renderlo abbastanza delicato per l'uso clinico, ma anche personalizzato, in grado di adattarsi alle topografie uniche della cavità orale di un paziente.

Per far avanzare questa tecnologia alla clinica, il team Penn sta continuando a ottimizzare i movimenti dei robot e considerando diversi mezzi per fornire i microrobot attraverso dispositivi che si adattano alla bocca.

Non vedono l'ora che il loro dispositivo aiuti i pazienti.

"Abbiamo questa tecnologia che è altrettanto o più efficace come lavarsi i denti e usare il filo interdentale, ma non richiede destrezza manuale", afferma Koo. "Ci piacerebbe vedere questo aiutare la popolazione geriatrica e le persone con disabilità. Crediamo che interromperà le modalità attuali e farà progredire notevolmente l'assistenza sanitaria orale". + Esplora ulteriormente

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