La visita al dentista generalmente implica un raspado lento y, a veces, desagradable con herramientas mecánicas para eliminar la placa de los dientes. Y si, en lugar de, ¿Un dentista podría desplegar un pequeño ejército de diminutos robots para eliminar de forma precisa y no invasiva esa acumulación?

Un equipo de ingenieros dentistas, y biólogos de la Universidad de Pensilvania desarrollaron un equipo de limpieza robótico microscópico. Con dos tipos de sistemas robóticos, uno diseñado para trabajar en superficies y el otro para operar dentro de espacios confinados, los científicos demostraron que los robots con actividad catalítica podían destruir hábilmente las biopelículas. pegajosas amalgamas de bacterias enredadas en un andamio protector. Estos sistemas robóticos de eliminación de biopelículas podrían ser valiosos en una amplia gama de aplicaciones potenciales, desde mantener limpias las tuberías de agua y los catéteres hasta reducir el riesgo de caries, infecciones endodónticas, y contaminación del implante.

La obra, publicado en Ciencia Robótica , fue dirigido por Hyun (Michel) Koo de la Escuela de Medicina Dental y Edward Steager de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas.

"Esta fue una interacción verdaderamente sinérgica y multidisciplinaria, ", dice Koo." Estamos aprovechando la experiencia de los microbiólogos y los científicos clínicos, así como de los ingenieros, para diseñar el mejor sistema de erradicación microbiana posible. Esto es importante para otros campos biomédicos que enfrentan biopelículas resistentes a los medicamentos a medida que nos acercamos a una era posterior a los antibióticos ".

"El tratamiento de las biopelículas que se producen en los dientes requiere una gran cantidad de trabajo manual, tanto por parte del consumidor como del profesional, ", agrega Steager." Esperamos mejorar las opciones de tratamiento y reducir la dificultad de la atención ".

Las biopelículas pueden surgir en superficies biológicas, como en un diente o en una articulación o en objetos, como cañerías de agua, implantes, o catéteres. Dondequiera que se formen biopelículas, son notoriamente difíciles de eliminar, ya que la matriz pegajosa que contiene las bacterias proporciona protección contra los agentes antimicrobianos.

En trabajos anteriores, Koo y sus colegas han avanzado en la descomposición de la matriz de la biopelícula con una variedad de métodos innovadores. Una estrategia ha sido emplear nanopartículas que contienen óxido de hierro que funcionan catalíticamente, activar el peróxido de hidrógeno para liberar radicales libres que pueden matar bacterias y destruir biopelículas de manera específica.

Casualmente, El equipo de Penn Dental Medicine descubrió que los grupos de Penn Engineering dirigidos por Steager, Vijay Kumar, y Kathleen Stebe estaban trabajando con una plataforma robótica que usaba nanopartículas de óxido de hierro muy similares como bloques de construcción para microrobots. Los ingenieros controlan el movimiento de estos robots mediante un campo magnético, permitiendo una forma libre de ataduras para dirigirlos.

Juntos, el equipo inter-escolar diseñado, optimizado y probé dos tipos de sistemas robóticos, que el grupo llama robots antimicrobianos catalíticos, o COCHES, capaz de degradar y eliminar biopelículas. El primero consiste en suspender nanopartículas de óxido de hierro en una solución, que luego se puede dirigir mediante imanes para eliminar las biopelículas en una superficie de una manera similar a un arado. La segunda plataforma implica incrustar las nanopartículas en moldes de gel en formas tridimensionales. Estos se utilizaron para apuntar y destruir biopelículas que obstruyen los tubos cerrados.

Ambos tipos de CAR mataron eficazmente las bacterias, rompió la matriz que los rodea, y eliminó los escombros con gran precisión. Después de probar los robots en biopelículas que crecen en una superficie de vidrio plana o en tubos de vidrio cerrados, los investigadores probaron una aplicación más relevante desde el punto de vista clínico:eliminar la biopelícula de las partes difíciles de alcanzar de un diente humano.

Los CAR pudieron degradar y eliminar las biopelículas bacterianas no solo de la superficie del diente, sino también de una de las partes de un diente de más difícil acceso. el istmo, un pasillo estrecho entre los conductos radiculares donde comúnmente crecen las biopelículas.

"Los tratamientos existentes para las biopelículas son ineficaces porque son incapaces de degradar simultáneamente la matriz protectora, matar las bacterias incrustadas, y eliminar físicamente los productos biodegradables, "dice Koo." Estos robots pueden hacer las tres cosas a la vez de manera muy eficaz, sin dejar rastro alguno de biopelícula ".

Eliminando los restos degradados del biofilm, Koo dice, la posibilidad de que se afiance y vuelva a crecer disminuye sustancialmente. Los investigadores prevén dirigir con precisión a estos robots a donde sea que necesiten ir para eliminar las biopelículas, ya sea el interior de un catéter o una línea de agua o superficies dentales de difícil acceso.

"Pensamos en los robots como sistemas automatizados que toman acciones basadas en información recopilada activamente, "dice Steager. En este caso, él dice, "El movimiento del robot puede ser informado por imágenes de la biopelícula obtenidas de microcámaras u otros modos de imágenes médicas".

Para llevar la innovación por el camino hacia la aplicación clínica, los investigadores están recibiendo apoyo del Penn Center for Health, Dispositivos, y Tecnología, una iniciativa apoyada por la Facultad de Medicina Perelman de Penn, Penn Ingeniería, y el Vicerrectorado de Investigación. Penn Health-Tech, como se le conoce, premios selectos grupos interdisciplinarios con apoyo para la creación de nuevas tecnologías sanitarias, y el proyecto de plataformas robóticas fue uno de los apoyados en 2018.

"El equipo tiene una gran experiencia clínica en el lado dental y una gran experiencia técnica en el lado de la ingeniería, "dice Victoria Berenholz, director ejecutivo de Penn Health-Tech. "Ayudamos a completarlos conectándolos con mentores comerciales y recursos dentro de la comunidad de Penn para traducir su tecnología. Realmente han hecho un trabajo fantástico en el proyecto".

Además de Koo, Steager, Stebe, y Kumar, El estudio fue coautor del primer autor Geelsu Hwang, Amauri J. Paula, Yuan Liu, Alaa bebé y Bekir Karabucak, toda la Facultad de Medicina Dental, y Elizabeth E. Hunter de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas.