«Στρατός» μικρορομπότ για την καταστροφή βακτηρίων στα δόντια

«Στρατός» μικρορομπότ για την καταστροφή βακτηρίων στα δόντια

penntoday.upenn.edu

Μικρορομπότ με αντικείμενο τον καθαρισμό των δοντιών από βακτηρίδια ανέπτυξαν ερευνητές του School of Dental Medicine και του School of Engineering and Applied Science του University of Pennsylvania (Penn).

Η επίσκεψη στον οδοντίατρο, ως γνωστόν, περιλαμβάνει χρονοβόρες και πολύ συχνά οδυνηρές διαδικασίες ξυσίματος με μηχανικά εργαλεία για την απομάκρυνση της πλάκας από τα δόντια. Η αντιπρόταση μηχανικών, οδοντιάτρων και βιολόγων του Penn, είναι η χρήση ενός μικροσκοπικού ρομποτικού συνεργείου καθαρισμού: Αξιοποιώντας δύο είδη ρομποτικών συστημάτων – το ένα για να εργάζεται σε επιφάνειες και το άλλο σε περιορισμένους χώρους- οι ερευνητές έδειξαν πως ρομπότ με καταλυτική δραστηριότητα μπορούν να να καταστρέφουν αποτελεσματικά τη βιομεμβράνες (ή βιοφίλμ), κολλώδη αμαλγάματα βακτηρίων εγκατεστημένων σε προστατευτικές δομές. Τέτοιου είδους ρομποτικά συστήματα αφαίρεσης βιοφίλμ θα μπορούσαν να είναι πολύτιμα σε ένα μεγάλο εύρος πιθανών εφαρμογών- από τον καθαρισμό σωλήνων νερού και καθετήρων μέχρι τον καθαρισμό των δοντιών, την αντιμετώπιση ενδοοδοντικών μολύνσεων και μολύνσεων εμφυτευμάτων.

Της έρευνας, που δημοσιεύτηκε στο Science Robotics, ηγήθηκαν οι Χιουν (Μισέλ) Κου και Έντουαρντ Στίγκερ. «Αξιοποιούμε την εξειδίκευση των μικροβιολόγων και κλινικών επιστημόνων, καθώς και μηχανικών, για να σχεδιάσουμε το καλύτερο σύστημα εξόντωσης μικροβίων που είναι δυνατόν. Αυτό είναι σημαντικό και σε άλλους τομείς της βιοϊατρικής, που είναι αντιμέτωποι με ανθεκτικά στα φάρμακα βιοφίλμ, καθώς πλησιάζουμε την εποχή μετά τα αντιβιοτικά» λέει ο Κου.

«Η αντιμετώπιση των βιοφίλμ που εμφανίζονται στα δόντια απαιτεί πολλή χειρωνακτική εργασία, τόσο από πλευράς καταναλωτή όσο και από πλευράς επαγγελματία. Ελπίζουμε να βελτιώσουμε τις επιλογές θεραπείας, καθώς και να μειώσουμε τη δυσκολία της φροντίδας» σημειώνει ο Στίγκερ.

Οι βιομεμβράνες εμφανίζονται σε βιολογικές επιφάνειες, όπως σε δόντια και σε αρθρώσεις, ή σε αντικείμενα όπως οι σωλήνες νερού, τα εμφυτεύματα, ή οι καθετήρες. Όταν σχηματίζονται, η απομάκρυνσή τους είναι πολύ δύσκολη, καθώς το κολλώδες πλέγμα που συγκρατεί τα βακτήρια παρέχει προστασία από αντιμικροβιακές ουσίες.

Σε προηγούμενη δουλειά τους, ο Κου και συνάδελφοί του είχαν σημειώσει πρόοδο ως προς την καταστροφή πλεγμάτων με μια σειρά πρωτοποριακών μεθόδων. Μια στρατηγική ήταν η χρήση νανοσωματιδίων με οξείδιο του σιδήρου, που λειτουργούν καταλυτικά, ενεργοποιώντας υπεροξείδιο του υδρογόνου για την απελευθέρωση ουσιών που σκοτώνουν βακτήρια και καταστρέφουν βιοφίλμ με στοχευμένο τρόπο. Παράλληλα, ομάδες στο Penn Engineering υπό τον Στίγκερ, καθώς και τους Βιτζέι Κουμάρ και Καθλίν Στίμπε, εργάζονταν πάνω σε μια ρομποτική πλατφόρμα που χρησιμοποιούσε πολύ παρόμοια νανοσωματίδια ως δομικά τμήματα για μικρορομπότ. Οι μηχανικοί ελέγχουν την κίνηση των ρομπότ αυτών μέσω μαγνητικού πεδίου.

Μαζί, οι ερευνητές από αυτούς τους διαφορετικούς κλάδους σχεδίασαν και δοκίμασαν δύο είδη ρομποτικών συστημάτων, των αποκαλούμενων CAR (catalytic antimicrobial robots, καταλυτικά αντιμικροβιακά ρομπότ), ικανών να υποβαθμίζουν και να καταστρέφουν βιοφίλμ. Το πρώτο έχει να κάνει με την διατήρηση νανοσωματιδίων οξειδίου του σιδήρου σε ένα διάλυμα, που μετά κατευθύνονται μέσω μαγνητών για να επιτελέσουν το έργο τους: Την απομάκρυνση βιοφίλμ από μια επιφάνεια με τρόπο που παραπέμπει σε «άροτρο/ αλέτρι». Η δεύτερη πλατφόρμα περιλαμβάνει την ενσωμάτωση των νανοσωματιδίων σε δομές τζελ σε τρισδιάστατα σχήματα, που χρησιμοποιούνται για τη στοχευμένη κατατροφή βιοφίλμ σε κλειστούς χώρους.

Και τα δύο είδη CAR αποδείχτηκαν αποτελεσματικά στην καταστροφή βακτηρίων και των πλεγμάτων τους: Οι πρώτες δοκιμές έγιναν σε επίπεδες επιφάνειες ή κλειστούς γυάλινους σωλήνες, και μετά έγιναν δοκιμές σε δυσπρόσιτα τμήματα ανθρώπινων δοντιών. Όπως αποδείχτηκε, τα CAR ήταν ικανά να υποβαθμίζουν και να καταστρέφουν βακτηριακά βιοφίλμ όχι μόνο από τις επιφάνειες των δοντιών, αλλά και από τα πλέον δυσπρόσιτα τμήματά τους.

«Οι υπάρχουσες θεραπείες για βιοφίλμ είναι αναποτελεσματικές επειδή δεν μπορούν ταυτόχρονα να υποβαθμίζουν το προστατευτικό πλέγμα, σκοτώνοντας τα ενσωματωμένα βακτήρια, και να απομακρύνουν τα προϊόντα αυτής της διαδικασίας. Αυτά τα ρομπότ μπορούν να τα κάνουν και τα τρία ταυτόχρονα, μη αφήνοντας κανένα ίχνος βιοφίλμ» σημειώνει ο Κου.