Dispuestos en estructuras similares a cabellos, un microenjambre robótico de nanopartículas de óxido de hierro desarrollado por un equipo de la Universidad de Pensilvania limpió eficazmente la placa de los dientes. Las nanopartículas tienen propiedades tanto magnéticas como catalíticas; el peróxido de hidrógeno catalizado produjo radicales libres que también eliminaron los patógenos responsables de la caries dental. Crédito: Minjun Oh/Medicina Dental Penn
Investigadores de la Universidad de Pensilvania demostraron en un estudio de prueba de concepto que un dispositivo de manos libres podría automatizar con éxito el tratamiento y la eliminación de la placa y las bacterias que causan la caries dental.
En el futuro, un microenjambre robótico que cambia de forma podría funcionar como un cepillo de dientes, un enjuague y un hilo dental. La tecnología, creada por un equipo multidisciplinario de la Universidad de Pensilvania, tiene el potencial de proporcionar un método automatizado completamente nuevo para realizar las tareas diarias repetitivas pero importantes de cepillado y uso de hilo dental. Para las personas que carecen de la destreza manual para limpiarse los dientes de manera efectiva por sí mismos, este sistema podría ser extremadamente útil.
Estos microrobots están compuestos por nanopartículas de óxido de hierro con propiedades catalíticas y magnéticas. Los investigadores pudieron controlar su movimiento y configuración utilizando un campo magnético para producir estructuras similares a cerdas que eliminan la placa de las amplias superficies de los dientes o hilos alargados que pueden deslizarse entre los dientes como hilo dental. En ambas situaciones, las nanopartículas son impulsadas a través de una reacción catalítica para liberar antimicrobianos que eliminan las bacterias orales dañinas en el lugar.
Una infografía explica las propiedades magnéticas y catalíticas de las nanopartículas de óxido de hierro y su ensamblaje en cabellos e hilo dental. Crédito: Melissa Pappas/Penn Engineering
Los experimentos que utilizan este sistema en dientes humanos reales y falsos han demostrado 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 revisión. ACS Nano.
“El cuidado bucal de rutina es tedioso y puede plantear desafíos para muchas personas, especialmente para aquellas que tienen problemas para limpiarse los dientes”, dice Hyun (Michel) Koo, profesor del 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, 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 manera única, automatizada y sin manos.
«Las nanopartículas se pueden moldear y controlar 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 pelos que pueden extenderse, barrer e incluso transferirse de un lado a otro en el espacio, como el hilo dental. La forma en que funciona es similar a cómo un brazo robótico podría alcanzar y limpiar una superficie. El sistema se puede programar para realizar automáticamente el ensamblaje de nanopartículas y el control de movimiento.
Tecnología revolucionaria para el 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 ha elevado el formato básico de ‘cerdas en un palo’, el concepto fundamental sigue siendo el mismo. «Es una tecnología que no ha sido interrumpida durante décadas».
Hace varios años, los investigadores de Penn en el Centro de Innovación y Odontología de Precisión (CiPD), del cual Koo es codirector, dieron pasos hacia un gran avance, utilizando este sistema de microrobótica.
Su innovación nació de un poco de casualidad. Los grupos de investigación de Penn Dental Medicine y Penn Engineering se han interesado 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 caries y descomponer las biopelículas de la placa dental. Mientras tanto, Steager y sus colegas ingenieros, incluido Dean Vijay Kumar y la codirectora de CiPD, la profesora Kathleen Stebe, estaban explorando estas nanopartículas como bloques de construcción para microrobots impulsados 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 han casado las dos aplicaciones en un trabajo en curso, construyendo una plataforma para controlar microrobots electromagnéticamente, lo que les permite adoptar diferentes configuraciones y liberar antimicrobianos. in situ para tratar y limpiar eficazmente los dientes.
«No importa si tiene dientes rectos o dientes desalineados, se adaptará a diferentes superficies», dice Koo. «El sistema puede caber en todos los rincones y grietas de la cavidad oral».
Los investigadores optimizaron los movimientos de los microrobots en una pequeña placa de material similar a un diente. A continuación, probaron el rendimiento de los microrobots ajustándose a la compleja topografía 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 montados para imitar la posición de los dientes en la cavidad oral.
En estas diferentes superficies, los investigadores encontraron que el sistema de microrobótica podía eliminar biopelículas de manera efectiva, liberándolas de todos los patógenos detectables. Las nanopartículas de óxido de hierro han sido aprobadas por la FDA para otros usos, y las pruebas de formación de cabello en un modelo animal han demostrado que no dañan 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 afinar los movimientos de los microrobots, así como para controlar la rigidez y la longitud de los cabellos. Los investigadores descubrieron que las puntas de las cerdas podían hacerse lo suficientemente firmes para eliminar las biopelículas pero lo suficientemente suaves para evitar daños en 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 en la clínica, el equipo de Penn continúa optimizando los movimientos de los robots y está considerando diferentes formas de 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 efectiva, si no más, que cepillarse los dientes y usar hilo dental, pero no requiere destreza manual”, explica Koo. “Nos gustaría que esto ayudara a la población geriátrica y a las personas con discapacidad. Creemos que esto alterará las modalidades actuales y hará avanzar significativamente la atención de la salud bucal.
Referencia: «Topografía superficial: superestructuras robóticas adaptables para la eliminación de biopelículas y la detección de patógenos en dientes humanos» por Min Jun Oh, Alaa Babeer, Yuan Liu, Zhi Ren, Jingyu Wu, David A. Issadore, Kathleen J. Stebe, Daeyeon Lee, Edward Steager y Hyun Koo, 28 de junio de 2022, ACS Nano.
DOI: 10.1021/acsnano.2c01950
El estudio fue financiado por el Instituto Nacional de Investigación Dental y Craneofacial, Procter and Gamble y la Universidad Sungkyunkwan.