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El microcalentador robótico que cambia de forma funciona como cepillo de dientes, enjuague e hilo dental en un solo dispositivo

06 julio 2022

(Noticias de Nanwerk) El microcalentamiento robótico que cambia de forma puede algún día actuar como cepillo de dientes, enjuague e hilo dental en un solo dispositivo.

La tecnología, desarrollada por un equipo multidisciplinario de la Universidad de Pensilvania, está lista para ofrecer una forma nueva y automatizada de realizar las tareas cotidianas mundanas y cruciales de cepillarse los dientes y usar hilo dental. Es un sistema que puede ser de particular valor para aquellos que carecen de la destreza manual para cepillarse los dientes de manera efectiva por sí mismos.

Los componentes básicos de estos microrobots son nanopartículas de óxido de hierro que tienen actividad tanto catalítica como magnética. Usando un campo magnético, los investigadores pueden dirigir su movimiento y formación para formar estructuras similares a cerdas que eliminan la placa de las amplias superficies de los dientes, o filamentos largos que pueden deslizarse entre los dientes como un hilo dental. En ambos casos, la reacción catalítica induce a las nanopartículas a producir antimicrobianos que eliminan in situ las bacterias dañinas de la boca. Dispuestos en estructuras similares a filamentos, el calor microscópico mecánico de las nanopartículas de óxido de hierro limpia eficazmente la placa dental de los dientes. Dispuestos en estructuras similares a filamentos, el calor microscópico mecánico de las nanopartículas de óxido de hierro limpia eficazmente la placa dental de los dientes. Las nanopartículas tienen propiedades magnéticas y catalíticas; El peróxido de hidrógeno catalizado produjo radicales libres que también eliminaron los patógenos que causan la caries dental. (Foto: Minjun Oh/Medicina Dental Penn)

Los experimentos que utilizan este sistema en dientes humanos falsos y reales han demostrado que los ensamblajes robóticos pueden adaptarse a una variedad de formas para eliminar virtualmente las biopelículas adhesivas que conducen a la caries dental y la enfermedad periodontal.

El equipo de Penn compartió sus hallazgos en la creación de una prueba de concepto para el sistema robótico en la revista. ACS nano («Topografía de superficie: superestructuras robóticas adaptativas para la eliminación de biopelículas y la detección de patógenos en dientes humanos»).

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“El cuidado bucal de rutina es estresante y puede plantear desafíos para muchas personas, especialmente para aquellas a las que les resulta difícil cepillarse los dientes”, dice Hyun (Michelle) Koo, MD, profesora en el departamento de ortodoncia y los departamentos de salud bucal comunitaria y pediátrica. odontología en la Escuela Penn. de odontología y coautor del estudio. «Tienes que cepillarte los dientes, luego usar hilo dental y 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 robótica, manos libres».

«Las nanopartículas se pueden moldear y controlar usando campos magnéticos de maneras sorprendentes», dice Edward Steiger, investigador principal de la Escuela de Ingeniería y Ciencias Aplicadas de Pensilvania y coautor. «Formamos filamentos que pueden estirarse, barrer e incluso viajar de un lado a otro a través de un espacio, como un hilo. La forma en que funcionan es similar a la forma en que un brazo robótico podría alcanzar y limpiar una superficie. El sistema se puede programar para hacer el ensamblaje de nanopartículas y controlar el movimiento automáticamente”.

Deshabilitar cuidado bucal

«El diseño del cepillo de dientes se ha mantenido relativamente sin cambios durante miles de años», dice Coe.

Si bien la adición de motores eléctricos elevó el nivel básico de «forma rugosa en un palo», el concepto básico siguió siendo el mismo. «Es una tecnología que no se ha averiado en décadas».

Hace varios años, los investigadores del Centro de Innovación y Odontología de Precisión (CiPD) de la Universidad de Pensilvania, del cual Koo es codirector, dieron pasos hacia una gran disrupción con este sistema de microrobot.

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Su innovación surgió de un poco de casualidad. Los grupos de investigación de Penn Dental Medicine y Penn Engineering estaban interesados ​​en las nanopartículas de óxido de hierro, pero por razones muy diferentes. El grupo de Ko estaba fascinado 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 Descomposición de las biopelículas de la placa dental. Mientras tanto, Steiger y sus colegas ingenieros, incluidos Dean Vijay Kumar y la profesora Kathleen Steppe, codirectora de CiPD, han estado explorando estas nanopartículas como bloques de construcción. micro robots controlados 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 combinaron las dos aplicaciones del presente trabajo, construyendo una plataforma para el control electromagnético de microrobots, permitiéndoles adoptar diferentes configuraciones y liberar antimicrobianos en sitio para un tratamiento y limpieza dental óptimos. Una infografía explica las propiedades magnéticas y catalíticas de las nanopartículas de óxido de hierro y su ensamblaje en formas de filamentos y similares a filamentos. La infografía explica las propiedades magnéticas y catalíticas de las nanopartículas de óxido de hierro y su ensamblaje en formas de filamentos y similares a filamentos. (Foto: Melissa Pappas/Ben Ingeniería)

«No importa si tienes dientes rectos o dientes oblicuos, se adaptarán a diferentes superficies», dice Koe. “El sistema puede adaptarse a todos los ángulos y grietas de la cavidad bucal”.

Los investigadores han refinado los movimientos de los diminutos robots en una pequeña losa de material similar a un diente. A continuación, probaron la modificación del rendimiento de los microbots para adaptarse a la compleja topografía de la superficie de los dientes, las superficies interdentales y la línea de las encías, utilizando modelos dentales impresos en 3D basados ​​en escaneos dentales humanos de una clínica dental. Finalmente, experimentaron con microbots en dientes humanos reales que se ajustaron de una manera que imitaba la colocación de los dientes en la cavidad oral.

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En estas diferentes superficies, los investigadores han descubierto que el sistema microbiótico puede eliminar eficazmente las biopelículas, eliminándolas de todos los patógenos detectables. Las nanopartículas de óxido de hierro han sido aprobadas para otros usos y las pruebas de formaciones de cerdas en un modelo animal han demostrado que no dañan el tejido de las encías.

De hecho, el sistema es totalmente programable; Los científicos e ingenieros de robótica del equipo utilizaron variaciones en el campo magnético para ajustar con precisión los movimientos precisos de los robots, así como para controlar la rigidez y la longitud de las cerdas. Los investigadores descubrieron que las puntas de las cerdas pueden ser lo suficientemente rígidas para eliminar las biopelículas, pero lo suficientemente blandas para evitar daños en las encías.

Los investigadores dicen que la naturaleza personalizable del sistema podría hacerlo lo suficientemente suave para el uso clínico, pero también personalizable y capaz de adaptarse a los diseños topográficos únicos de la cavidad bucal de un paciente.

Para llevar esta innovación a la clínica, el equipo de Penn continúa mejorando los movimientos de los robots y considera varios medios para administrar microbots a través de dispositivos que se ajustan a la boca.

Están ansiosos por ver que sus dispositivos ayuden a las personas en la clínica.

«Tenemos esta técnica que es tan o más efectiva que cepillarse los dientes y usar hilo dental, pero no requiere habilidad manual», dice Coe. «Nos gustaría ver que esto ayude a las personas mayores y a las personas con discapacidades. Creemos que interrumpirá los métodos actuales y hará avanzar en gran medida la atención de la salud bucal».

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