Un microenjambre robótico que cambia de forma puede algún día actuar como cepillo de dientes, enjuague e hilo dental en uno. La tecnología, desarrollada por un equipo multidisciplinario de la Universidad de Pensilvania, está lista para ofrecer una forma nueva y automatizada de realizar las tareas diarias mundanas pero críticas de cepillarse los dientes y usar hilo dental. Es un sistema que podría ser particularmente valioso para aquellos que carecen de la destreza manual para limpiarse los dientes de manera efectiva.
Los componentes básicos de estos microrobots son nanopartículas de óxido de hierro que tienen actividad tanto catalítica como magnética. Usando un campo magnético, los investigadores podrían dirigir su movimiento y configuración para formar estructuras similares a cerdas que barren la placa dental de las amplias superficies de los dientes, o cuerdas alargadas que pueden deslizarse entre los dientes como un hilo dental. En ambos casos, una reacción catalítica impulsa a las nanopartículas a producir antimicrobianos que eliminan las bacterias orales dañinas en el sitio.
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. de Medicina Dental y coautor correspondiente del estudio. “Tienes que cepillarte los dientes, luego usar hilo dental y 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 sola manera automatizada y sin manos”. .”
“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, muy parecido al uso del hilo dental. La forma en que funciona es similar a cómo un brazo robótico puede alcanzar y limpiar una superficie. El sistema se puede programar para hacer 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 básico de ‘cerdas en un palo’, el concepto fundamental sigue 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, usando 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 oral.
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 y a las personas con discapacidades. Creemos que interrumpirá las modalidades actuales y hará avanzar en gran medida la atención de la salud bucal”.
Hyun (Michel) Koo es profesor en el Departamento de Ortodoncia y divisiones de Salud Bucal Comunitaria y Odontología Pediátrica en la Escuela de Medicina Dental y codirector del Centro de Innovación y Odontología de Precisión en la Universidad de Pensilvania.
Edward Steager es investigador principal de investigación en la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Penn.
Los coautores de Koo y Steager en el artículo son Min Jun Oh de Penn Dental Medicine, Alaa Babeer, Yuan Liu y Zhi Ren y Jingyu Wu de Penn Engineering, David A. Issadore, Kathleen J. Stebe y Daeyeon Lee.
Este trabajo fue apoyado en parte por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial (becas DE025848 y DE029985), Procter & Gamble y el Programa de Investigación Postdoctoral de la Universidad Sungkyunkwan.