A visita ao dentista geralmente envolve a raspagem demorada e às vezes desagradável com ferramentas mecânicas para remover a placa bacteriana dos dentes. E se, em vez de, um dentista poderia implantar um pequeno exército de minúsculos robôs para remover esse acúmulo de forma precisa e não invasiva?

Uma equipe de engenheiros, Dentistas, e biólogos da Universidade da Pensilvânia desenvolveram uma equipe de limpeza robótica microscópica. Com dois tipos de sistemas robóticos - um projetado para funcionar em superfícies e outro para operar em espaços confinados - os cientistas mostraram que robôs com atividade catalítica podem destruir biofilmes habilmente, amálgama pegajosa de bactérias emaranhadas em uma estrutura protetora. Esses sistemas robóticos de remoção de biofilme podem ser valiosos em uma ampla gama de aplicações potenciais, desde manter canos de água e cateteres limpos até reduzir o risco de cárie dentária, infecções endodônticas, e contaminação do implante.

O trabalho, publicado em Ciência Robótica , foi liderado por Hyun (Michel) Koo da Escola de Medicina Dentária e Edward Steager da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas.

"Esta foi uma interação verdadeiramente sinérgica e multidisciplinar, "diz Koo." Estamos aproveitando a experiência de microbiologistas e cientistas-clínicos, bem como engenheiros, para projetar o melhor sistema de erradicação microbiana possível. Isso é importante para outros campos biomédicos que enfrentam biofilmes resistentes a medicamentos à medida que nos aproximamos de uma era pós-antibióticos. "

"O tratamento de biofilmes que ocorrem nos dentes requer muito trabalho manual, tanto por parte do consumidor quanto do profissional, "acrescenta Steager." Esperamos melhorar as opções de tratamento, bem como reduzir a dificuldade de atendimento.

Biofilmes podem surgir em superfícies biológicas, como em um dente ou em uma articulação ou em objetos, como canos de água, implantes, ou cateteres. Onde quer que os biofilmes se formem, eles são notoriamente difíceis de remover, como a matriz pegajosa que mantém a bactéria fornece proteção contra agentes antimicrobianos.

Em trabalhos anteriores, Koo e seus colegas fizeram progressos na quebra da matriz do biofilme com uma variedade de métodos fora da caixa. Uma estratégia tem sido empregar nanopartículas contendo óxido de ferro que funcionam cataliticamente, ativar o peróxido de hidrogênio para liberar radicais livres que podem matar bactérias e destruir biofilmes de forma direcionada.

Acidentalmente, a equipe da Penn Dental Medicine descobriu que grupos da Penn Engineering liderados por Steager, Vijay Kumar, e Kathleen Stebe estavam trabalhando com uma plataforma robótica que usava nanopartículas de óxido de ferro muito semelhantes como blocos de construção para microrrobôs. Os engenheiros controlam o movimento desses robôs usando um campo magnético, permitindo uma maneira livre de amarras para conduzi-los.

Juntos, a equipe cross-school projetou, otimizado, e testou dois tipos de sistemas robóticos, que o grupo chama de robôs antimicrobianos catalíticos, ou CARs, capaz de degradar e remover biofilmes. O primeiro envolve a suspensão de nanopartículas de óxido de ferro em uma solução, que pode então ser direcionado por ímãs para remover biofilmes em uma superfície de forma semelhante a um arado. A segunda plataforma envolve a incorporação das nanopartículas em moldes de gel em formas tridimensionais. Estes foram usados ​​para atingir e destruir biofilmes que obstruem tubos fechados.

Ambos os tipos de CARs mataram eficazmente as bactérias, quebrou a matriz que os cerca, e removeu os detritos com alta precisão. Depois de testar os robôs em biofilmes crescendo em uma superfície plana de vidro ou em tubos de vidro fechados, os pesquisadores tentaram uma aplicação mais clinicamente relevante:a remoção de biofilme de partes difíceis de alcançar de um dente humano.

Os CARs foram capazes de degradar e remover biofilmes bacterianos não apenas da superfície do dente, mas de uma das partes mais difíceis de acessar do dente, o istmo, um corredor estreito entre os canais radiculares onde os biofilmes comumente crescem.

"Os tratamentos existentes para biofilmes são ineficazes porque são incapazes de degradar simultaneamente a matriz protetora, matando as bactérias incorporadas, e remover fisicamente os produtos biodegradados, "diz Koo." Esses robôs podem fazer todos os três ao mesmo tempo de forma muito eficaz, não deixando nenhum vestígio de biofilme. "

Ao remover os restos degradados do biofilme, Koo diz, a chance de se consolidar e voltar a crescer diminui substancialmente. Os pesquisadores imaginam direcionar precisamente esses robôs para onde eles precisam ir para remover biofilmes, seja no interior de um catéter ou em uma linha de água ou superfícies dentais de difícil acesso.

"Pensamos nos robôs como sistemas automatizados que realizam ações com base em informações coletadas ativamente, "diz Steager. Neste caso, ele diz, "o movimento do robô pode ser informado por imagens do biofilme coletadas de microcâmeras ou outros modos de imagens médicas."

Para mover a inovação no caminho da aplicação clínica, os pesquisadores estão recebendo apoio do Penn Center for Health, Dispositivos, e Tecnologia, uma iniciativa apoiada pela Escola de Medicina Perelman da Penn, Penn Engineering, e o Gabinete do Vice-Reitor de Pesquisa. Penn Health-Tech, como é conhecido, prêmios selecionam grupos interdisciplinares com apoio para criar novas tecnologias de saúde, e o projeto das plataformas robóticas foi um dos apoiados em 2018.

"A equipe tem uma grande formação clínica na área odontológica e uma grande formação técnica na área de engenharia, "diz Victoria Berenholz, diretor executivo da Penn Health-Tech. "Ajudamos a completá-los conectando-os a mentores de negócios e recursos da comunidade da Pensilvânia para traduzir sua tecnologia. Eles realmente fizeram um trabalho fantástico no projeto."

Além de Koo, Steager, Stebe, e Kumar, o estudo foi co-autoria do primeiro autor Geelsu Hwang, Amauri J. Paula, Yuan Liu, Alaa Babeer, e Bekir Karabucak, todos da Faculdade de Medicina Dentária, e Elizabeth E. Hunter, da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas.