یک قرار دندانپزشکی معمولا با صرف زمان و گاه خراش های ناخوشایند با ابزارهای مکانیکی برای حذف پلاک از دندان همراه است. چه می شد اگر دندانپزشک بتواند ارتش کوچکی از رباتهای ریز را بطور دقیق و غیر مخرب برای حذف آن به کار گیرد؟

تیمی از مهندسان، دندانپزشکان و زیست شناسان از دانشگاه پنسیلوانیا خدمه ای رباتیک در ابعاد میکروسکوپی را برای تمیزکاری توسعه دادند. با دو نوع از سیستم های رباتیک – که یکی برای کار روی سطوح طراحی شده است و دیگری برای کار در فضاهای محدود – دانشمندان نشان دادند که روبات هایی با فعالیت کاتالیزوری می توانند زیست لایه ها را نابود کنند؛ زیست لایه یا بیوفیلم ترکیبات چسبنده ای از باکتری ها در یک داربست حفاظتی هستند. چنین سیستم های رباتیکی حذف زیست لایه ها می تواند در طیف وسیعی از کاربردهای بالقوه سودمند باشد؛ کاربردهایی نظیر تمیز نگه داشتن لوله های آب و کاتتر برای کاهش خطر پوسیدگی دندان، عفونت های ریشه دندان و آلودگی ایمپلنت های دندانی.

این کار که در Science Robotics منتشر شد، توسط Hyun Koo از دانشکده دندانپزشکی و ادوارد استیگر از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی رهبری شد.

آقای کوو می گوید: «این یک تعامل واقعاً مکمل و چند رشته ای بود. ما در حال بهره برداری از تخصص های میکروب شناسان، دانشمندان پزشکی و همچنین مهندسانهستیم تا بهترین سیستم ریشه کن سازی میکروبی ممکن را طراحی کنیم. این کار برای سایر مؤسسات زیست پزشکی که با زیست لایه های مقاوم در برابر دارو دست و پنجه نرم می کنند به عنوان یک دوره پسا آنتی بیوتیکمهم است.»

آقای استیگر افزود: «درمان زیست لایه هایی که بر روی دندانها بوجود می آیند نیاز به کار یدی زیادی دارد. ما امیدواریم گزینه های درمانی را و همچنین مشکلات مراقبت از دندان را بهبود بخشیم.»

زیست لایه ها می توانند بر روی سطوح زیستی (بیولوژیکی) مانند دندان یا در یک مفصل یا اشیایی مانند لوله های آب، ایمپلنت ها یا کاتترها ایجاد شوند. هر کجا که زیست لایه ها شکل می گیرند، از بین بردن شان بسیار دشوار است، زیرا ماتریس چسبنده ای که باکتری را نگه می دارد، آن را از عوامل ضد میکروبی محافظت می کند.

در کار قبلی، آقای کوو و همکارانش برای شکستن ماتریس زیست لایه ها از انواع روش های پیشرفت استفاده کردند. یکی از استراتژی ها استفاده از نانوذرات حاوی اکسید آهن است که به صورت کاتالیزوری کار می کنند و پراکسید هیدروژن (آب اکسیژنه) را برای آزاد سازی رادیکال های آزاد فعال می کند تا بتوانند باکتری را از بین ببرند و زیست لایه ها را به طور هدفمند تخریب کنند.

به طور کاملا اتفاقی، گروه دندانپزشکی پنسیلاوانیا با گروهی از دانشکده مهندسی پنسیلوانیا به رهبری Steager،Vijay Kumar، و Kathleen Stebe آشنا شدند که روی پلتفرم رباتیکی کار می کردند که از همان نانوذرات آهن-اکسید برای ساخت بلوک های میکرو ربات ها استفاده می کرد. مهندسان حرکت این ربات ها را با استفاده از میدان مغناطیسی کنترل می کردند که بهشان امکان می داد که آزادانه آن ها را حرکت دهند.

دو تیم با هم دو نوع سیستم رباتیک را طراحی، بهینه سازی و آزمایش کردند که آن ها را ربات های ضد میکروبی کاتالیزوری catalytic antimicrobial robots, or CARs, می نامند که قادر به تخریب و از بین بردن زیست لایه ها هستند. پلتفرم اول نانوذرات آهن-اکسید در یک محلول به صورت سوسپانسیون (تعلیقه) در می آیند که به وسیله آهنرباهایی برای حذف زیست لایه ها از سطح به شیوه شخم زنی انجام می شود. پلتفرم دوم نانوذرات را در قالب های ژله ای در اشکال سه بعدی جاسازی می کند. این ژل ها برای هدف قرار دادن و تخریب زیست لایه هایی چسبیده به لوله های مسدود شده به کار می روند.

هر دو نوع این ربات ها به طور موثری باکتری ها را از بین می برند، ماتریسی را که آنها را احاطه کرده اند شکسته و با دقت بالایی از میان بر می دارند. محققان پس از آزمایش ربات ها بر روی زیست لایه هایی که روی سطح شیشه ای مسطح یا لوله های شیشه ای بسته، روی یک سری کاربردهای بالینی مرتبط مثل حذف زیست لایه از قسمت هایی از دندان انسان که به سختی در دسترس قرار می گیرند کار کردند.

این دو نوع ربات نه تنها توانایی حذف زیست لایه های باکتریایی را از سطح دندان دارند، بلکه قادر به تخریب و حذف زیست لایه ها از یکی از قسمت هایی از دندان که به سختی در دسترس قرار می گیرد، ناحیه درونی، راهروی باریک بین کانال های ریشه ای که زیست لایه ها معمولا رشد می کنند شدند.

Koo می گوید: “درمان های موجود برای زیست لایه ها بی اثر هستند زیرا آنها قادر نیستند که به طور همزمان ماتریکس محافظ را از بین ببرند، باکتری های جاگرفته در آن را بکشند و به طور فیزیکی محصولات زیست تخریب پذیر را از بین ببرند. این ربات ها می توانند هر سه کار را به طور موثری همزمان انجام دهند، و هیچ اثری از زیست لایه نماند.”

Koo می گوید با شخم زدن بقایای تجزیه شده ی زیست لایه، شانس باقی ماندن و رشد دوباره ی آن به طور قابل ملاحظه ای کاهش می یابد. محققان تصور می کنند این ربات ها را دقیقا تا هر جا که نیاز به برداشتن زیست لایه ها باشد، در داخل کاتتر یا لوله ی آب یا سطوح دندانی که دسترسی به آن ها دشوار است، هدایت می کنند.

Steager می گوید: “ما به ربات ها به عنوان سیستم های خودکاری می اندیشیم که کارها را بر اساس اطلاعات فعالانه جمع آوری شده انجام می دهند.” در این مورد، او می گوید: “حرکت ربات می تواند بر اساس تصاویر زیست لایه که توسط ریزدوربین ها یا سایر روش های تصویربرداری پزشکی جمع آوری شده شکل گیرد.”

محققان برای اینکه این نوآوری را در مسیر کاربردهای بالینی قرار دهند، از پشتیبانی مرکز سلامت پنسیلوانیا و دیگر نهادهای حمایتی پشتیبانی شدند. این پروژه از طرف Penn Health-Tech برای دریافت جوایز گروه های بین رشته ای ۲۰۱۸ برای ایجاد فن آوری های جدید سلامت انتخاب و مورد پشتیبانی قرار گرفت.

ویکتوریا برنولز، مدیر اجرایی Penn Health-Tech می گوید: “تیم دارای پیشینه ی بالایی در زمینه دندانپزشکی و پیشنیه فنی عالی در زمینه مهندسی است. ما اینجا هستیم تا آنها را در کنار هم قرار دهیم. آنها واقعا کار فوق العاده ای در این پروژه انجام داده اند.”