Microrobots Teeth

Los científicos han creado microrobots que pueden cepillarse los dientes y usar hilo dental automáticamente


Dispuestos en estructuras similares a cerdas, un microenjambre robótico de nanopartículas de óxido de hierro desarrollado por un equipo de la Universidad de Pensilvania limpió eficazmente la placa de los dientes. Las nanopartículas tienen propiedades tanto magnéticas como catalíticas; el peróxido de hidrógeno catalizado produjo radicales libres que también eliminaron los patógenos causantes de caries. Crédito: Minjun Oh/Medicina Dental Penn

Investigadores de la Universidad de Pensilvania demostraron en un estudio de prueba de concepto que un dispositivo de manos libres podría automatizar con éxito el tratamiento y la eliminación de la placa dental y las bacterias que causan las caries.

En el futuro, un microenjambre robótico que cambia de forma puede servir como cepillo de dientes, enjuague e hilo dental, todo en uno. La tecnología, creada por un equipo multidisciplinario de la Universidad de Pensilvania, tiene el potencial de proporcionar un método automatizado completamente nuevo para llevar a cabo las tareas diarias repetitivas pero importantes de cepillarse los dientes y usar hilo dental. Para las personas que carecen de la destreza manual para limpiarse los dientes de manera eficiente, este sistema podría ser extremadamente útil.

Estos microrobots están compuestos por nanopartículas de óxido de hierro con propiedades catalíticas y magnéticas. Los investigadores pudieron controlar su movimiento y configuración utilizando un campo magnético para producir estructuras similares a cerdas que eliminan la placa dental de las superficies anchas de los dientes o hilos alargados que pueden deslizarse entre los dientes como un hilo dental. En ambas situaciones, las nanopartículas son impulsadas por una reacción catalítica para liberar antimicrobianos que eliminan las bacterias orales dañinas en el sitio.

Infografía Microbots Dientes

Una infografía explica las propiedades magnéticas y catalíticas de las nanopartículas de óxido de hierro y su ensamblaje en formas similares a cerdas y hilo dental. Crédito: Melissa Pappas/Penn Engineering

Los experimentos que utilizaron este sistema en dientes humanos reales y ficticios demostraron que los ensamblajes robóticos pueden adaptarse a una variedad de formas para eliminar casi por completo las biopelículas pegajosas que provocan caries y enfermedades de las encías. El equipo de Penn compartió sus hallazgos estableciendo una prueba de concepto para el sistema robótico en la revista. ACS Nano.

“El cuidado bucal de rutina es engorroso y puede plantear desafíos para muchas personas, especialmente para aquellas que tienen dificultades para limpiarse los dientes”, dice Hyun (Michel) Koo, profesor en el Departamento de Ortodoncia y divisiones de Salud Bucal Comunitaria y Odontología Pediátrica en Penn’s School of Dental Medicine y coautor correspondiente del estudio. “Tienes que cepillarte los dientes, luego usar hilo dental, luego enjuagarte la boca; es un proceso manual de varios pasos. La gran innovación aquí es que el sistema robótico puede hacer las tres cosas de una manera automatizada, sin manos y única”.

“Las nanopartículas pueden moldearse y controlarse con campos magnéticos de maneras sorprendentes”, dice Edward Steager, investigador principal de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn y coautor correspondiente. “Formamos cerdas que pueden extenderse, barrer e incluso transferirse de un lado a otro a través de un espacio, como si se usara hilo dental. La forma en que funciona es similar a cómo un brazo robótico podría alcanzar y limpiar una superficie. El sistema se puede programar para realizar el ensamblaje de nanopartículas y el control de movimiento automáticamente”.

Revolucionando la tecnología del cuidado bucal

“El diseño del cepillo de dientes se ha mantenido relativamente sin cambios durante milenios”, dice Koo.

Si bien la adición de motores eléctricos elevó el ‘formato de cerdas en un palo’ básico, el concepto fundamental siguió siendo el mismo. “Es una tecnología que no ha sido interrumpida en décadas”.

Hace varios años, los investigadores de Penn dentro del Centro de Innovación y Odontología de Precisión (CiPD), del cual Koo es codirector, dieron pasos hacia una gran disrupción, utilizando este sistema de microrobótica.

Su innovación surgió de un poco de casualidad. Los grupos de investigación de Penn Dental Medicine y Penn Engineering estaban interesados ​​en las nanopartículas de óxido de hierro, pero por razones muy diferentes. El grupo de Koo estaba intrigado por la actividad catalítica de las nanopartículas. Pueden activar el peróxido de hidrógeno para liberar radicales libres que pueden matar las bacterias que causan las caries y degradar las biopelículas de la placa dental. Mientras tanto, Steager y sus colegas ingenieros, incluidos Dean Vijay Kumar y la profesora Kathleen Stebe, codirectora de CiPD, estaban explorando estas nanopartículas como componentes básicos de microrobots controlados magnéticamente.

Con el apoyo de Penn Health Tech y el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial de los Institutos Nacionales de la Salud, los colaboradores de Penn unieron las dos aplicaciones en el trabajo actual, construyendo una plataforma para controlar electromagnéticamente los microrobots, permitiéndoles adoptar diferentes configuraciones y liberar antimicrobianos. en el sitio para tratar y limpiar los dientes de manera efectiva.

“No importa si tiene dientes rectos o dientes desalineados, se adaptará a diferentes superficies”, dice Koo. “El sistema puede ajustarse a todos los rincones y grietas de la cavidad oral”.

Los investigadores optimizaron los movimientos de los microrobots en una pequeña losa de material similar a un diente. A continuación, probaron el rendimiento de los microrobots ajustándose a la topografía compleja de la superficie de los dientes, las superficies interdentales y la línea de las encías, utilizando modelos de dientes impresos en 3D basados ​​en escaneos de dientes humanos de la clínica dental. Finalmente, probaron los microrobots en dientes humanos reales que se montaron de tal manera que imitaban la posición de los dientes en la cavidad bucal.

En estas diversas superficies, los investigadores descubrieron que el sistema de microrobótica podía eliminar eficazmente las biopelículas, limpiándolas de todos los patógenos detectables. Las nanopartículas de óxido de hierro han sido aprobadas por la FDA para otros usos, y las pruebas de las formaciones de cerdas en un modelo animal mostraron que no dañaron el tejido de las encías.

De hecho, el sistema es totalmente programable; Los robots e ingenieros del equipo utilizaron variaciones en el campo magnético para ajustar con precisión los movimientos de los microrobots y controlar la rigidez y la longitud de las cerdas. Los investigadores descubrieron que las puntas de las cerdas podían hacerse lo suficientemente firmes para eliminar las biopelículas pero lo suficientemente suaves para evitar dañar las encías.

La naturaleza personalizable del sistema, dicen los investigadores, podría hacerlo lo suficientemente suave para uso clínico, pero también personalizado, capaz de adaptarse a las topografías únicas de la cavidad bucal de un paciente.

Para hacer avanzar esta tecnología a la clínica, el equipo de Penn continúa optimizando los movimientos de los robots y considerando diferentes medios para administrar los microrobots a través de dispositivos que se ajustan a la boca.

Están ansiosos por ver que su dispositivo ayude a los pacientes.

“Tenemos esta tecnología que es tan o más efectiva que cepillarse los dientes y usar hilo dental, pero no requiere destreza manual”, dice Koo. “Nos encantaría ver que esto ayude a la población geriátrica ya las personas con discapacidades. Creemos que interrumpirá las modalidades actuales y hará avanzar en gran medida la atención de la salud bucal”.

Referencia: “Superestructuras robóticas adaptables a la topografía superficial para la eliminación de biopelículas y la detección de patógenos en los dientes humanos” por Min Jun Oh, Alaa Babeer, Yuan Liu, Zhi Ren, Jingyu Wu, David A. Issadore, Kathleen J. Stebe, Daeyeon Lee, Edward Steager y Hyun Koo, 28 de junio de 2022, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.2c01950

El estudio fue financiado por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial, Procter and Gamble y la Universidad Sungkyunkwan.

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