集牙刷、漱口水和牙線於一身的奈米機器人，讓你刷牙不用自己動手了

可變形的微型機器人群有朝一日可能充當牙刷、漱口水和牙線於一身。該技術由賓夕法尼亞大學的一個多學科團隊開發，準備提供一種新的自動化方式來執行刷牙和使用牙線這些平凡但關鍵的日常任務。這個系統對於那些缺乏手動能力的人來說特別有價值，他們可以自己有效地清潔他們的牙齒。

這些微型機器人的構件是具有催化和磁力活性的氧化鐵奈米顆粒。利用磁場，研究人員可以指導它們的運動和配置，以形成刷毛般的結構，掃除牙齒表面的牙菌斑，或者形成細長的線，可以像一段牙線一樣在牙齒之間滑動。在這兩種情況下，一種催化反應驅動奈米顆粒產生抗菌劑，現場殺死有害的口腔細菌。

在類比和真實的人類牙齒上使用該系統的實驗表明，機器人元件可以符合各種形狀，幾乎可以消除導致齲齒和牙齦疾病的黏性生物膜。賓夕法尼亞州的團隊在《ACS Nano》雜誌上分享了他們的發現，為機器人系統建立了一個概念驗證。

賓夕法尼亞大學牙醫學院正畸系、社區口腔健康和兒童牙科部門的教授、該研究的共同通訊作者Hyun (Michel) Koo說：「一般的口腔護理很麻煩，對許多人來說是個挑戰，尤其是那些很難清潔牙齒的人。你必須刷牙，然後使用牙線，然後漱口；這是一個手動、多步驟的過程。這裡最大的創新是，機器人系統可以以一種單一的、自動化的方式完成這三件事。」

賓夕法尼亞大學工程與應用科學學院的高級研究調查員、共同通訊作者Edward Steager說：「奈米顆粒可以用磁場以令人驚訝的方式進行塑造和控制。我們形成的刷子可以延伸、掃過，甚至在一個空間內來回轉移，很像使用牙線。它的工作方式類似於機械臂可能伸出來清潔一個表面。該系統可以被程式化的為自動完成奈米粒子的組裝和運動控制。」

顛覆性的口腔護理技術

「幾千年來，牙刷的設計一直保持相對不變，」Koo說。

雖然增加了電動馬達，提升了基本的「bristle-on-a-stick」形式，但基本概念仍然保持不變。「這是一項幾十年來都沒有被打破的技術。」

幾年前，賓夕法尼亞大學創新與精密牙科中心（CiPD）的研究人員（Koo是該中心的共同主任）使用這種微型機器人系統，採取了重大的顛覆措施。

他們的創新產生於一個偶然的機會。賓夕法尼亞州牙科醫學和賓夕法尼亞州工程的研究小組都對氧化鐵奈米顆粒感興趣，但原因非常不同。Koo的研究小組對奈米粒子的催化活性很感興趣。它們可以啟動過氧化氫，釋放自由基，進而殺死導致蛀牙的細菌並降解牙菌斑生物膜。與此同時，Steager和工程界的同事，包括Vijay Kumar院長和CiPD聯合主任Kathleen Stebe教授，正在探索這些奈米粒子作為磁控微型機器人的構建塊。

在賓夕法尼亞州衛生技術研究所和美國國立衛生研究院的國家牙科和顱面研究所的支持下，賓夕法尼亞州的合作者在目前的工作中把這兩種應用結合起來，構建了一個平臺，用電磁控制微機器人，使它們能夠採取不同的配置，並在現場釋放抗菌劑，有效地治療和清潔牙齒。

「如果你有整齊的牙齒或錯位的牙齒，這並不重要，它將適應不同的表面，」Koo說。「該系統可以適應口腔中的所有角落和縫隙。」

研究人員在一小塊類似牙齒的材料上優化了微型機器人的運動。接下來，他們使用基於牙科診所人類牙齒掃描的3D列印牙齒模型，測試了微型機器人適應牙齒表面、齒間表面和牙齦線的複雜地形的性能。最後，他們在真實的人類牙齒上試驗了微型機器人，這些牙齒的安裝方式是為了模仿牙齒在口腔中的位置。

研究人員發現，在這些不同的表面上，微型機器人系統可以有效地消除生物膜，清除它們中所有可檢測到的病原體。氧化鐵奈米顆粒已被美國食品和藥物管理局（FDA）批准用於其他用途，對動物模型上的刷毛形成的測試表明，它們沒有傷害牙齦組織。

事實上，該系統是完全可程式化的；該團隊的機器人專家和工程師利用磁場的變化來精確調整微型機器人的運動，並控制刷毛的硬度和長度。研究人員發現，刷毛的尖端可以變得足夠堅硬，以清除生物膜，但又足夠柔軟，以避免對牙齦造成損害。

研究人員說，該系統的可定制性可以使它在臨床使用時足夠溫和，同時也是個性化的，能夠適應病人口腔的獨特特徵。

為了將這一創新推向臨床，賓夕法尼亞大學的團隊正在繼續優化機器人的運動，並考慮透過口腔貼合設備提供微型機器人的不同方法。他們渴望看到他們的設備在臨床上説明人們。

「我們有這種技術，與刷牙和使用牙線一樣或更有效，但不需要手動操作，」Koo說。「我們希望看到這能幫助老年群體和殘疾人。我們相信它將顛覆目前的模式，並在很大程度上推動口腔健康護理。」

資料來源：

Surface Topography-Adaptive Robotic Superstructures for Biofilm Removal and Pathogen Detection on Human Teeth