一群由磁鐵引導的微型機器人清除牙菌斑更快捷，更方便

看牙醫通常需要花費時間，有時甚至是用機械工具颳去牙齒上的菌斑。如果牙醫可以部署一小群小型機器人來精確地、非侵入地移除這些集結物，那該怎麼辦？

賓夕法尼亞大學的一個由工程師、牙醫和生物學家組成的團隊開發了一支微型機器人清潔團隊。通過兩種類型的機器人系統-一種是設計在表面工作，另一種是在受限空間內工作-科學家們證明，具有催化活性的機器人能夠很好地破壞生物膜，將細菌粘合在一個保護腳手架中。這種機器人生物膜去除系統在許多潛在的應用中都很有價值，從保持水管和導管的清潔到減少蛀牙、牙髓感染和種植體污染的風險。

發表在科學機器人

，由牙科醫學院的Hyun(Michel)Koo和工程與應用科學學院的EdwardSteager領導。

「這是一個真正的協同和多學科的互動，」Koo說。「我們正在利用微生物學家、臨床科學家以及工程師的專業知識，設計出最佳的微生物根除系統。這對於面臨抗藥性生物膜的其他生物醫學領域非常重要，因為我們即將進入抗生素後時代。」

「治療牙齒上的生物膜需要大量的體力勞動，無論是消費者還是專業人士，」Steager補充道。「我們希望改善治療方案，同時減少護理的難度。」

生物膜可出現在生物表面，如牙齒、關節或物體上，如水管、植入物或導管。無論生物膜在哪裡形成，它們都是出了名的難以去除的，因為含有細菌的粘性基質提供了不受抗菌劑的保護。

在以前的工作中，Koo和他的同事們在打破生物膜基質方面取得了進展，他們採用了各種各樣的盒外方法。一種策略是利用含有氧化鐵的納米粒子催化作用，激活過氧化氫釋放自由基，從而有針對性地殺死細菌和破壞生物膜。

巧合的是，賓州牙科醫學小組發現，由Steager、vijay kumar和kathleen stebe領導的賓夕法尼亞工程小組正在與一個機器人平台合作，該平台使用非常相似的氧化鐵納米粒子作為微型機器人的構建塊。工程師們利用磁場來控制這些機器人的運動，這樣就可以用一種沒有繩索的方式來引導它們。

這個跨學校團隊共同設計、優化和測試了兩種機器人系統，該小組稱之為催化抗菌機器人(CARS)，能夠降解和去除生物膜。第一種方法是將氧化鐵納米粒子懸浮在溶液中，然後由磁鐵指示以犁狀的方式去除表面的生物膜。第二個平台需要將納米粒子嵌入到三維形狀的凝膠模子中。這些被用來瞄準和破壞生物膜堵塞封閉的管道。

這兩種類型的汽車都有效地殺死了細菌，分解了包圍它們的基質，並以很高的精度清除了碎片。在測試了生長在平板玻璃表面或封閉玻璃管上的生物膜上的機器人之後，研究人員嘗試了一種更有臨床意義的應用：從人類牙齒難以觸及的部位去除生物膜。

這些汽車能夠降解和去除細菌生物膜，不僅從牙齒表面，而且從牙齒最難接觸的部位之一-地峽-生物膜通常生長在根管之間的一條狹窄的走廊上。

「現有的生物膜處理是無效的，因為它們不能同時降解保護基質，殺死嵌入的細菌，並物理去除生物降解產物，」Koo說。「這些機器人可以同時有效地完成這三項任務，沒有留下任何生物膜的痕迹。」

Koo說，通過犁掉生物膜的退化殘留物，它紮根和重新生長的機會大大減少了。研究人員設想將這些機器人精確地引導到它們需要移除生物膜的任何地方，無論是導管內部還是水管內部，還是難以到達的牙齒表面。

斯蒂格說：「我們認為機器人是根據主動收集的信息採取行動的自動化系統。」在這種情況下，他說，「機器人的運動可以通過從微型相機或其他醫學成像方式採集的生物膜圖像來了解。」

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