Στρατός μικρο-ρομπότ στη 'μάχη' κατά της οδοντικής πλάκας

Miα διεπιστημονική ομάδα αποτελούμενη από μηχανικούς, οδοντιάτρους και βιολόγους από το Πανεπιστήμιο της Πενσυλβάνια ανέπτυξαν μικρο-ρομπότ που μπορούν να διαλύσουν και να αφαιρέσουν το οδοντικό βιοφίλμ ή την πλάκα από τα δόντια, μειώνοντας έτσι σημαντικά την επιβάρυνση των οδοντιάτρων. Τα αποτελέσματα της μελέτης δημοσιεύθηκαν στο Επιστημονικό Περιοδικό Science Robotics, ενώ η ερευνητική προσπάθεια τελεί υπό την επιστημονική ευθύνη των Καθηγητή Hyun (Michel) Koo της Οδοντιατρικής Σχολής και του ερευνητή Edward Steager της Σχολής Μηχανικών και Εφαρμοσμένων Επιστημών.

Η επίσκεψη στον οδοντίατρο περιλαμβάνει συνήθως μια χρονοβόρα και μερικές φορές δυσάρεστη απόξεση με μηχανικά εργαλεία για την απομάκρυνση της πλάκας από τα δόντια. Μια ομάδα μηχανικών, οδοντιάτρων και βιολόγων ανέπτυξε ένα μικροσκοπικό ρομποτικό πλήρωμα καθαρισμού με δύο τύπους ρομποτικών συστημάτων - ένα σχεδιασμένο για να λειτουργεί σε επιφάνειες και το άλλο για να λειτουργεί μέσα σε περιορισμένους χώρους.

Οι επιστήμονες έδειξαν ότι τα ρομπότ με καταλυτική δράση θα μπορούσαν να καταστρέψουν αποτελεσματικά τα βιοφίλμ, τα κολλώδη αμαλγάματα βακτηρίων που προσκολλώνται σε προστατευτικές δομές.

Τέτοια ρομποτικά συστήματα απομάκρυνσης βιοφίλμ θα μπορούσαν να είναι πολύτιμα σε ένα ευρύ φάσμα πιθανών εφαρμογών, από τον καθαρισμό σωλήνων νερού και καθετήρων μέχρι την μείωση του κινδύνου τερηδόνας, την αντιμετώπιση ενδοδοντικών και επιεμφυτευματικών μολύνσεων. 

Αυτή ήταν μια πραγματικά συνεργατική και διεπιστημονική αλληλεπίδραση. Αξιοποιούμε την εξειδίκευση των μικροβιολόγων και κλινικών επιστημόνων, καθώς και των μηχανικών, για να σχεδιάσουμε το καλύτερο δυνατό σύστημα εξόντωσης μικροβίων. Αυτό είναι σημαντικό και σε άλλους τομείς της βιοϊατρικής, που έρχονται αντιμέτωποι με ανθεκτικά στα φάρμακα βιοφίλμ, καθώς πλησιάζουμε την 'μετά τα αντιβιοτικά εποχή'”, επεσήμανε ο Kαθηγητής Koo.

Η αντιμετώπιση των βιοφίλμ που εμφανίζονται στα δόντια απαιτεί πολλή χειρωνακτική εργασία, τόσο από τον ασθενή όσο και από τον επαγγελματία. Ελπίζουμε να βελτιώσουμε τις επιλογές θεραπείας, καθώς και να μειώσουμε τη δυσκολία της φροντίδας”, πρόσθεσε ο ερευνητήε Steager, συν-συγγραφέας της μελέτης.

Σε προηγούμενες προσπάθειές του, ο Koo και οι συνάδελφοί του έχουν σημειώσει σημαντική πρόοδο ως προς την καταστροφή πλεγμάτων με μια σειρά πρωτοποριακών μεθόδων. Μια στρατηγική ήταν η χρήση νανοσωματιδίων που περιέχουν οξείδιο του σιδήρου, τα οποία λειτουργούν καταλυτικά, ενεργοποιώντας υπεροξείδιο του υδρογόνου για να απελευθερώσουν ελεύθερες ρίζες που μπορούν να εξοντώσουν τα βακτήρια και να καταστρέψουν τα βιοφίλμ με στοχευμένο τρόπο.

Παράλληλα, ομάδες στο Penn Engineering υπό την καθοδήγηση των ερευνητών Steager, Vijay Kumar και Kathleen Stebe εργάζονταν πάνω σε μια ρομποτική πλατφόρμα που χρησιμοποιούσε πολύ παρόμοια νανοσωματίδια ως δομικά τμήματα για μικρορομπότ. Οι μηχανικοί ελέγχουν την κίνηση των ρομπότ αυτών μέσω μαγνητικού πεδίου.

Από κοινού, η διεπιστημονική αυτή ομάδα σχεδίασε, βελτιστοποίησε και έθεσε σε δοκιμή δύο τύπους ρομποτικών συστημάτων, των αποκαλούμενων CAR (catalytic antimicrobial robots), ικανών να υποβαθμίζουν και να καταστρέφουν βιοφίλμ.

Το πρώτο σύστημα αφορά την εναιώρηση νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου σε ένα διάλυμα, που στη συνέχεια μπορούν να κατευθύνονται μέσω μαγνητών για την απομάκρυνση των βιοφίλμ σε μια επιφάνεια,  με τρόπο που παρομοιάζει με τη δράση του αρότρου. Η δεύτερη πλατφόρμα περιλαμβάνει την ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων σε δομές τζελ σε τρισδιάστατα σχήματα, που χρησιμοποιούνται για τη στοχευμένη κατατροφή βιοφίλμ σε φραγμένους κλειστούς σωλήνες.

Και τα δύο είδη CARs αποδείχτηκαν αποτελεσματικά στην καταστροφή βακτηρίων και των πλεγμάτων
που τα περιβάλλουν,αφαιρώντας τα κατάλοιπα με μεγάλη ακρίβεια. Οι πρώτες δοκιμές έγιναν σε επίπεδες γυάλινες επιφάνειες ή κλειστούς γυάλινους σωλήνες, και μετά έγιναν δοκιμές σε δυσπρόσιτα τμήματα ανθρώπινων δοντιών. Τα CARs μπορούσαν να υποβαθμίζουν και να καταστρέφουν βακτηριακά βιοφίλμ όχι μόνο από τις επιφάνειες των δοντιών, αλλά και από τα πλέον δυσπρόσιτα τμήματά τους.

Οι υπάρχουσες θεραπείες για βιοφίλμ είναι αναποτελεσματικές επειδή δεν μπορούν ταυτόχρονα να υποβαθμίζουν το προστατευτικό πλέγμα, σκοτώνοντας τα ενσωματωμένα βακτήρια, και να απομακρύνουν τα βιοαποικοδομημένα προϊόντα αυτής της διαδικασίας. Αυτά τα ρομπότ μπορούν να τα κάνουν και τα τρία ταυτόχρονα, μη αφήνοντας κανένα ίχνος βιοφίλμ”, σημειώσε ο κ. Koo, υπογραμμίζοντας τη σπουδαιότητα αυτής της ερευνητικής προσπάθειας.