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变形微型机器人可以刷牙和使用牙线

导读有朝一日,一个变形的机器人微群可能会集牙刷、漱口水和牙线于一身。该技术由宾夕法尼亚大学的一个多学科团队开发,有望提供一种新的自动化

有朝一日,一个变形的机器人微群可能会集牙刷、漱口水和牙线于一身。该技术由宾夕法尼亚大学的一个多学科团队开发,有望提供一种新的自动化方式来执行日常刷牙和使用牙线等平凡但至关重要的任务。对于那些缺乏手动灵巧性来自己有效清洁牙齿的人来说,这是一个特别有价值的系统。

这些微型机器人的组成部分是具有催化和磁活性的氧化铁纳米颗粒。使用磁场,研究人员可以引导他们的运动和配置形成刷毛状结构,从牙齿宽阔的表面清除牙菌斑,或者形成细长的细绳,可以像牙线一样在牙齿之间滑动。在这两种情况下,催化反应都会驱动纳米颗粒产生抗菌剂,从而在现场杀死有害的口腔细菌。

在模拟和真人牙齿上使用该系统进行的实验表明,机器人组件可以适应各种形状,几乎可以消除导致蛀牙和牙龈疾病的粘性生物膜。Penn团队在ACSNano杂志上分享了他们为机器人系统建立概念验证的发现。

“常规口腔护理很麻烦,会给许多人带来挑战,尤其是那些难以清洁牙齿的人”,宾夕法尼亚大学正畸学系和社区口腔健康和儿科牙科部门的教授Hyun(Michel)Koo说牙科医学博士和该研究的共同通讯作者。“你必须刷牙,然后用牙线清洁牙齿,然后漱口;这是一个手动的、多步骤的过程。这里最大的创新是机器人系统可以通过单一、免提、自动化的方式完成这三个过程。”

宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的高级研究人员、共同通讯作者EdwardSteager说:“纳米粒子可以通过磁场以令人惊讶的方式成形和控制。”“我们形成的刷毛可以延伸、扫掠,甚至在空间中来回移动,就像使用牙线一样。它的工作方式类似于机械臂伸出并清洁表面的方式。系统可以通过编程来完成纳米粒子组装和运动自动控制。”

“几千年来,牙刷的设计一直保持相对不变,”Koo说。

虽然添加电动机提升了基本的“棒上刷毛形式”,但基本概念保持不变。“这是一项几十年来没有被颠覆的技术。”

几年前,由Koo担任联合主任的创新与精密牙科中心(CiPD)的宾夕法尼亚大学研究人员使用这种微型机器人系统采取了重大突破措施。

他们的创新源于一点意外。PennDentalMedicine和PennEngineering的研究小组都对氧化铁纳米颗粒感兴趣,但原因却截然不同。Koo的小组对纳米粒子的催化活性很感兴趣。它们可以激活过氧化氢以释放自由基,从而杀死导致蛀牙的细菌并降解牙菌斑生物膜。与此同时,Steager和工程同事,包括DeanVijayKumar和CiPD联合主任KathleenStebe教授,正在探索将这些纳米颗粒作为磁控微型机器人的构建块。

在PennHealthTech和美国国立卫生研究院的国家牙科和颅面研究所的支持下,Penn的合作者在当前工作中结合了这两个应用程序,构建了一个电磁控制微型机器人的平台,使它们能够采用不同的配置并释放抗菌剂现场有效治疗和清洁牙齿。

“不管你的牙齿是直牙还是错位,它都会适应不同的表面,”Koo说。“该系统可以适应口腔中的所有角落和缝隙。”

研究人员优化了微型机器人在一小块类似牙齿的材料上的运动。接下来,他们使用基于牙科诊所人类牙齿扫描的3D打印牙齿模型,测试了微型机器人适应牙齿表面、齿间表面和牙龈线的复杂地形的性能。最后,他们在真实的人类牙齿上试验了微型机器人,这些牙齿以模仿口腔中牙齿位置的方式安装。

在这些不同的表面上,研究人员发现微型机器人系统可以有效地消除生物膜,清除所有可检测到的病原体。氧化铁纳米颗粒已被FDA批准用于其他用途,并且在动物模型上对刷毛形成的测试表明它们不会伤害牙龈组织。

实际上,该系统是完全可编程的;该团队的机器人专家和工程师利用磁场的变化来精确调整微型机器人的运动以及控制刷毛的刚度和长度。研究人员发现,刷毛的尖端可以做得足够坚固以去除生物膜,但又足够柔软以避免损坏牙龈。

研究人员说,该系统的可定制性可以使其足够温和以供临床使用,而且可以个性化,能够适应患者口腔的独特地形。

为了将这项技术推向临床,Penn团队正在继续优化机器人的动作,并考虑通过口腔贴合设备提供微型机器人的不同方法。

他们渴望看到他们的设备帮助患者。

“我们拥有的这项技术与刷牙和使用牙线一样或更有效,但不需要手动灵巧,”Koo说。“我们很乐意看到这有助于老年人和残疾人。我们相信它将破坏当前的模式并大大推进口腔保健。”

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