Hành trình Khoa học, Không gian và Thời gian!
Một loạt các robot siêu nhỏ, được điều khiển bởi nam châm, có thể phá vỡ và loại bỏ màng sinh học nha khoa, hoặc mảng bám trên răng. Sự đổi mới phát sinh từ sự hợp tác liên ngành giữa các nha sĩ, nhà sinh học và kỹ sư.
Một chuyến viếng thăm nha sĩ thường bao gồm tốn thời gian và đôi khi khó chịu với các công cụ cơ học để loại bỏ mảng bám trên răng. Điều gì sẽ xảy ra nếu, thay vào đó, một nha sĩ có thể triển khai một đội quân robot nhỏ để loại bỏ chính xác và không xâm lấn sự tích tụ đó?
Một nhóm các kỹ sư, nha sĩ và nhà sinh học từ Đại học Pennsylvania đã phát triển một đội làm sạch robot siêu nhỏ. Với hai loại hệ thống robot – một loại được thiết kế để hoạt động trên bề mặt và loại kia hoạt động trong không gian hạn chế – các nhà khoa học cho thấy robot có hoạt động xúc tác có thể phá hủy màng sinh học, hỗn hợp dính của vi khuẩn được đặt trong giàn giáo bảo vệ. Các hệ thống loại bỏ màng sinh học robot như vậy có thể có giá trị trong một loạt các ứng dụng tiềm năng, từ giữ sạch đường ống nước và ống thông cho đến giảm nguy cơ sâu răng, nhiễm trùng nội nha và nhiễm bẩn cấy ghép.
Công trình, được xuất bản trên Science Robotics , được dẫn dắt bởi Hyun (Michel) Koo của Trường Nha khoa và Edward Steager thuộc Trường Kỹ thuật và Khoa học Ứng dụng.
“Đây là một tương tác thực sự hiệp đồng và đa ngành,” Koo nói. “Chúng tôi tận dụng chuyên môn của các nhà vi trùng học và bác sĩ lâm sàng cũng như các kỹ sư để thiết kế hệ thống diệt vi khuẩn tốt nhất có thể. Điều này rất quan trọng đối với các lĩnh vực y sinh khác phải đối mặt với màng sinh học kháng thuốc khi chúng ta tiếp cận thời kỳ hậu kháng sinh.”
“Điều trị màng sinh học xảy ra trên răng đòi hỏi rất nhiều lao động thủ công, cả về phía người tiêu dùng và chuyên nghiệp,” Steager nói thêm. “Chúng tôi hy vọng sẽ cải thiện các lựa chọn điều trị cũng như giảm bớt khó khăn trong việc chăm sóc.”
Màng sinh học có thể phát sinh trên các bề mặt sinh học, chẳng hạn như trên răng hoặc trong khớp hoặc trên các vật thể, như ống nước, cấy ghép hoặc ống thông. Bất cứ nơi nào hình thành màng sinh học, chúng rất khó loại bỏ, vì ma trận dính giữ vi khuẩn cung cấp sự bảo vệ khỏi các chất chống vi trùng.
Trong công việc trước đây, Koo và các đồng nghiệp đã đi đầu trong việc phá vỡ ma trận màng sinh học bằng nhiều phương pháp bên ngoài. Một chiến lược đã được sử dụng các hạt nano chứa oxit sắt hoạt động xúc tác, kích hoạt hydro peroxide để giải phóng các gốc tự do có thể tiêu diệt vi khuẩn và phá hủy màng sinh học theo cách nhắm mục tiêu.
Serendipitiously, nhóm Y khoa Nha khoa Penn phát hiện ra rằng các nhóm tại Penn Engineering do Steager, Vijay Kumar và Kathleen Stebe dẫn đầu đang làm việc với một nền tảng robot sử dụng các hạt nano oxit sắt rất giống nhau để tạo ra các khối microrobots. Các kỹ sư điều khiển chuyển động của những robot này bằng từ trường, cho phép một cách không có dây buộc để điều khiển chúng.
Cùng với nhau, nhóm nghiên cứu chéo đã thiết kế, tối ưu hóa và thử nghiệm hai loại hệ thống robot, mà nhóm gọi là robot chống vi trùng xúc tác, hay CAR, có khả năng làm suy giảm và loại bỏ màng sinh học. Đầu tiên liên quan đến việc đình chỉ các hạt nano oxit sắt trong một dung dịch, sau đó có thể được dẫn hướng bằng nam châm để loại bỏ màng sinh học trên bề mặt theo cách giống như lưỡi cày. Nền tảng thứ hai đòi hỏi phải nhúng các hạt nano vào khuôn gel theo hình dạng ba chiều. Chúng được sử dụng để nhắm mục tiêu và phá hủy màng sinh học làm tắc các ống kín.
Cả hai loại CAR đều tiêu diệt vi khuẩn một cách hiệu quả, phá vỡ ma trận bao quanh chúng và loại bỏ các mảnh vụn với độ chính xác cao. Sau khi thử nghiệm robot trên màng sinh học phát triển trên bề mặt kính phẳng hoặc ống thủy tinh kín, các nhà nghiên cứu đã thử một ứng dụng phù hợp hơn về mặt lâm sàng: Loại bỏ màng sinh học khỏi các bộ phận khó tiếp cận của răng người.
Các CAR có thể làm suy giảm và loại bỏ các màng sinh học vi khuẩn không chỉ từ bề mặt răng mà từ một trong những phần khó tiếp cận nhất của răng, isthmus, một hành lang hẹp giữa các kênh gốc nơi màng sinh học thường phát triển.
Koo nói: “Các phương pháp điều trị hiện tại cho màng sinh học là không hiệu quả vì chúng không có khả năng làm suy giảm đồng thời ma trận bảo vệ, tiêu diệt vi khuẩn nhúng và loại bỏ vật lý các sản phẩm phân hủy sinh học”. “Những robot này có thể làm cả ba cùng một lúc rất hiệu quả, không để lại bất kỳ dấu vết nào của màng sinh học.”
Bằng cách cày xới phần còn lại của màng sinh học, Koo nói, cơ hội của nó bị giữ lại và phát triển lại giảm đáng kể. Các nhà nghiên cứu hình dung chính xác hướng các robot này đến bất cứ nơi nào chúng cần để loại bỏ màng sinh học, có thể là bên trong của một ống nước hoặc đường nước hoặc bề mặt răng khó tiếp cận.
“Chúng tôi nghĩ về robot như các hệ thống tự động thực hiện các hành động dựa trên thông tin được thu thập tích cực”, Steager nói. Trong trường hợp này, ông nói, “chuyển động của robot có thể được thông báo bằng hình ảnh của màng sinh học được thu thập từ microcamera hoặc các chế độ hình ảnh y tế khác.”
Để đưa sự đổi mới xuống con đường ứng dụng lâm sàng, các nhà nghiên cứu đang nhận được hỗ trợ từ Trung tâm Y tế, Thiết bị và Công nghệ Penn, một sáng kiến được hỗ trợ bởi Trường Y khoa Perelman của Penn, Kỹ thuật Penn và Văn phòng Phó Hiệu trưởng Nghiên cứu . Penn Health-Tech, như đã biết, trao giải cho các nhóm liên ngành chọn lọc với sự hỗ trợ để tạo ra các công nghệ y tế mới và dự án nền tảng robot là một trong những hỗ trợ được trao trong năm 2018.
“Nhóm nghiên cứu có một nền tảng lâm sàng tuyệt vời về mặt nha khoa và một nền tảng kỹ thuật tuyệt vời về mặt kỹ thuật”, Victoria Berenholz, giám đốc điều hành của Penn Health-Tech nói. “Chúng tôi ở đây để làm tròn họ về phía doanh nghiệp. Họ đã thực sự làm một công việc tuyệt vời trong dự án.”
Nguồn tin tức:
Tài liệu được cung cấp bởi Đại học Pennsylvania . Lưu ý: Nội dung có thể được chỉnh sửa cho kiểu dáng và độ dài.
Tạp chí tham khảo :