Microrobot metamorfo pode escovar e aplicar fio dental nos dentes

Um robot  metamorfo poderá um dia automatizar a rotina de enxaguar, escovar e aplicar  fio dental. Uma equipa multidisciplinar desenvolveu a tecnologia, que emprega um campo magnético para direcionar os microrobots à base de óxido de ferro em matrizes antimicrobianas em forma de fio dental.

Um microenxame robótico metamorfo poderá um dia funcionar como uma escova de dentes, enxaguar e fio dental num só. A tecnologia, desenvolvida por uma equipa multidisciplinar da Universidade da Pensilvânia, está pronta para oferecer uma nova e automatizada forma de executar as tarefas diárias mundanas mas críticas de escovagem e fio dental. É um sistema que pode ser particularmente valioso para aqueles que não têm a destreza manual para limpar os dentes efetivamente.

Os blocos de construção destes microrobs são nanopartículas de óxido de ferro que têm atividade catalítica e magnética. Usando um campo magnético, os investigadores poderiam direcionar o seu movimento e configuração para formar estruturas semelhantes a cerdas que varrem a placa dentária das amplas superfícies dos dentes, ou cordas alongadas que podem escorregar entre os dentes como um comprimento de fio dental. Em ambos os casos, uma reação catalítica leva as nanopartículas a produzir antimicrobianos que matam bactérias orais nocivas no local.

Experiências que usam este sistema em dentes humanos falsos e reais mostraram que os conjuntos robóticos podem estar em conformidade com uma variedade de formas para quase eliminar os biofilmes pegajosos que levam a cáries e doenças das gengivas. A equipa Penn partilhou as suas descobertas estabelecendo uma prova de conceito para o sistema robótico na revista ACS Nano.

"Os cuidados orais rotineiros são pesados e podem colocar desafios para muitas pessoas, especialmente para aqueles que têm dificuldade em limpar os dentes" diz Hyun (Michel) Koo, professor do Departamento de Ortodontia e divisões de Saúde Oral Comunitária e Medicina Dentária Pediátrica na Faculdade de Medicina Dentária de Penn e coautor correspondente no estudo. “Escovar os dentes, e em seguida, usar o fio dental, e depois enxaguar a boca; é um processo manual, em várias etapas. A grande inovação aqui é que o sistema de robótica pode fazer os três operações de uma forma única, mãos livres e automatizada."

"As nanopartículas podem ser moldadas e controladas com campos magnéticos de formas surpreendentes", diz Edward Steager, investigador sénior da Penn's School of Engineering and Applied Science e coautor. "Formamos cerdas que podem estender-se, varrer e até transferir para trás e para a frente através de um espaço, tal como o fio dental. A forma como funciona é semelhante à forma como um braço robótico pode alcançar e limpar uma superfície. O sistema pode ser programado para fazer automaticamente o conjunto de nanopartículas e o controlo do movimento."

Perturbação na tecnologia de cuidados orais

"O design da escova de dentes permaneceu relativamente inalterado durante milénios", diz Koo.

Ao mesmo tempo que a adição de motores elétricos elevou o formato básico de "bristle-on-a-stick", o conceito fundamental manteve-se o mesmo. "É uma tecnologia que não é alterada há décadas."

Há vários anos, investigadores da Penn no Centro de Inovação & Medicina Dentária de Precisão (CiPD), do qual a Koo é codiretora, tomaram medidas para uma grande alteração, utilizando este sistema de microroótica.

Grupos de investigação em Medicina Dentária Penn e Engenharia Penn estavam interessados em nanopartículas de óxido de ferro, mas por razões muito diferentes. O grupo de Koo ficou intrigado com a atividade catalítica das nanopartículas. Podem ativar o peróxido de hidrogénio para libertar radicais livres que podem matar bactérias causadoras de cáries e degradar biofilmes da placa dentária. Enquanto isso, Steager e colegas de engenharia, incluindo o Reitor Vijay Kumar e a Professora Kathleen Stebe, codiretora da CiPD, estavam a explorar estas nanopartículas como blocos de construção de microrobots controlados magneticamente.

Com o apoio da Penn Health Tech e do Instituto Nacional de Investigação Dentária e Craniofacial dos Institutos Nacionais de Saúde, os colaboradores da Penn casaram com as duas aplicações no trabalho atual, construindo uma plataforma para controlar electromagneticamente os microrobots, permitindo-lhes adotar diferentes configurações e libertar antimicrobianos no local para tratar e limpar eficazmente os dentes.

"Não importa se tem dentes retos ou dentes desalinhados, o sistema irá adaptar-se a diferentes superfícies", diz Koo. "O sistema pode ajustar-se a todos os recantos e fendas na cavidade oral."

Os investigadores otimizaram os movimentos dos microrobots numa pequena placa de material semelhante a um dente. Em seguida, testaram o desempenho dos microrobots ajustando-se à topografia complexa da superfície dentária, superfícies interdentais e a gumline, usando modelos dentários impressos em 3D com base em digitalizações de dentes humanos da clínica dentária. Finalmente, testaram os microrobots em dentes humanos reais que foram montados de forma a imitar a posição dos dentes na cavidade oral.

Nestas várias superfícies, os investigadores descobriram que o sistema de microrobótica poderia efetivamente eliminar biofilmes, limpando-os de todos os agentes patogénicos detetáveis. As nanopartículas de óxido de ferro foram aprovadas pela FDA para outras utilizações, e os testes das formações de cerdas num modelo animal mostraram que não danificaram o tecido da gengiva.

Com efeito, o sistema é totalmente programável; os robóticos e engenheiros da equipa usaram variações no campo magnético para afinar precisamente os movimentos dos microrobots, bem como controlar a rigidez e o comprimento das cerdas. Os investigadores descobriram que as pontas das cerdas podiam ser suficientemente firmes para remover biofilmes, mas suficientemente macias para evitar danos nas gengivas.

A natureza personalizável do sistema, dizem os investigadores, poderia torná-lo suave o suficiente para uso clínico, mas também personalizado, capaz de se adaptar às topografias únicas da cavidade oral de um paciente.

Para avançar com esta tecnologia para a clínica, a equipa da Penn continua a otimizar os movimentos dos robôs e a considerar diferentes meios de entregar os microrobots através de dispositivos que se ajustam à boca.

Estão ansiosos para ver o dispositivo ajudar os pacientes.

"Temos esta tecnologia que é tão ou mais eficaz como escovar e lavar os dentes, mas não requer destreza manual", diz Koo. "Gostávamos de ver isto a ajudar a população geriátrica e as pessoas com deficiência. Acreditamos que irá perturbar as modalidades atuais e avançar grandemente com os cuidados de saúde oral."

Hyun (Michel) Koo é professor no Departamento de Ortodontia e Divisões da Saúde Oral Comunitária e Medicina Dentária Pediátrica na Faculdade de Medicina Dentária e codiretor do Centro de Inovação & Medicina Dentária da Universidade da Pensilvânia.

Edward Steager é investigador sénior na Penn's School of Engineering and Applied Science.

Os coautores de Koo e Steager no papel são Min jun Oh, Alaa Babeer, Yuan Liu, e Zhi Ren e Penn Engineering's Jingyu Wu, David A. Issadore, Kathleen J. Stebe e Daeyeon Lee.

Este trabalho foi apoiado em parte pelo Instituto Nacional de Investigação Dentária e Craniofacial (concedeções DE025848 e DE029985), Procter & Gamble, e o Programa de Investigação Pós-Doutoramento da Universidade de Sungkyunkwan.

 Surface Topography-Adaptive Robotic Superstructures for Biofilm Removal and Pathogen Detection on Human Teeth:                                                                                                   ACS Nano, 2022; DOI: 10.1021/acsnano.2c01950

Fonte:  ScienceDaily / University of Pennsylvania/

Artigo original ScienceDaily