ไมโครโรบ็อตที่แปลงร่างได้สามารถแปรงฟันและใช้ไหมขัดฟันได้

วันหนึ่งไมโครวอร์มหุ่นยนต์ที่เปลี่ยนรูปร่างได้อาจทำหน้าที่เป็นแปรงสีฟัน บ้วนปาก และไหมขัดฟันในหนึ่งเดียว เทคโนโลยีที่พัฒนาโดยทีมงานสหสาขาวิชาชีพที่มหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย การจัดฟัน พร้อมที่จะนำเสนอวิธีการใหม่และอัตโนมัติในการปฏิบัติงานประจำวันแต่สำคัญอย่างการแปรงฟันและใช้ไหมขัดฟัน เป็นระบบที่อาจมีประโยชน์อย่างยิ่งสำหรับผู้ที่ขาดความชำนาญในการทำความสะอาดฟันด้วยตนเองอย่างมีประสิทธิภาพ โฆษณา โครงสร้างหลักของไมโครโรบ็อตเหล่านี้คืออนุภาคนาโนของไอรอนออกไซด์ที่มีทั้งกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาและแม่เหล็ก เมื่อใช้สนามแม่เหล็ก นักวิจัยสามารถกำหนดทิศทางการเคลื่อนไหวและการกำหนดค่าเพื่อสร้างโครงสร้างคล้ายขนแปรงที่กวาดคราบจุลินทรีย์ออกจากผิวฟัน หรือสายยาวที่สามารถหลุดระหว่างฟันได้เหมือนความยาวของไหมขัดฟัน ในทั้งสองกรณี ปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยาจะขับเคลื่อนอนุภาคนาโนเพื่อผลิตยาต้านจุลชีพที่ฆ่าแบคทีเรียในช่องปากที่เป็นอันตรายในบริเวณนั้น การทดลองใช้ระบบนี้กับฟันจำลองและฟันจริงของมนุษย์แสดงให้เห็นว่าการประกอบหุ่นยนต์สามารถปรับเปลี่ยนรูปร่างได้หลากหลายเพื่อขจัดแผ่นชีวะที่เหนียวซึ่งนำไปสู่ฟันผุและโรคเหงือกได้เกือบหมด ทีมงานของ Penn ได้แบ่งปันการค้นพบของพวกเขาในการสร้างการพิสูจน์แนวคิดสำหรับระบบหุ่นยนต์ในวารสารACS Nano ฮยอน (มิเชล) คู ศาสตราจารย์ภาควิชาทันตกรรมจัดฟันและแผนกสุขภาพช่องปากชุมชนและทันตกรรมสำหรับเด็กในโรงเรียนเพนน์สคูลกล่าวว่า "การดูแลช่องปากเป็นประจำเป็นเรื่องยุ่งยากและอาจเป็นความท้าทายสำหรับหลายๆ คน โดยเฉพาะผู้ที่มีเวลาทำความสะอาดฟันยาก" ของทันตแพทยศาสตรบัณฑิตและผู้เขียนร่วมที่สอดคล้องกันในการศึกษานี้ "คุณต้องแปรงฟัน ใช้ไหมขัดฟัน แล้วบ้วนปาก เป็นกระบวนการแบบแมนนวลหลายขั้นตอน นวัตกรรมที่สำคัญของที่นี่คือระบบหุ่นยนต์สามารถทำได้ทั้งสามอย่างในวิธีเดียว แบบแฮนด์ฟรีและอัตโนมัติ " Edward Steager นักวิจัยอาวุโสของ Penn's School of Engineering and Applied Science และผู้เขียนร่วมกล่าวว่า "อนุภาคนาโนสามารถสร้างรูปร่างและควบคุมด้วยสนามแม่เหล็กได้อย่างน่าประหลาดใจ" "เราสร้างขนแปรงที่สามารถยืดออก ปัด และแม้กระทั่งเคลื่อนไปมาในพื้นที่ต่างๆ ได้ เหมือนกับการใช้ไหมขัดฟัน วิธีการทำงานคล้ายกับแขนกลที่ยื่นออกมาและทำความสะอาดพื้นผิว ระบบสามารถตั้งโปรแกรมให้ทำ การประกอบอนุภาคนาโนและการควบคุมการเคลื่อนไหวโดยอัตโนมัติ" พลิกโฉมเทคโนโลยีการดูแลช่องปาก Koo กล่าวว่า "การออกแบบแปรงสีฟันยังคงไม่เปลี่ยนแปลงมานานนับพันปี ในขณะที่การเพิ่มมอเตอร์ไฟฟ้าช่วยยกระดับ 'รูปแบบขนแปรงบนแท่ง' พื้นฐาน แต่แนวคิดพื้นฐานยังคงเหมือนเดิม "เป็นเทคโนโลยีที่ไม่หยุดชะงักมานานหลายทศวรรษ" เมื่อหลายปีก่อน นักวิจัยของ Penn ใน Center for Innovation & Precision Dentistry (CiPD) ซึ่งมี Koo เป็นผู้อำนวยการร่วม ได้ดำเนินการตามขั้นตอนสู่การหยุดชะงักครั้งใหญ่ โดยใช้ระบบไมโครโรโบติกส์นี้ นวัตกรรมของพวกเขาเกิดขึ้นจากความบังเอิญเล็กน้อย กลุ่มวิจัยทั้ง Penn Dental Medicine และ Penn Engineering สนใจในอนุภาคนาโนของเหล็กออกไซด์ แต่ด้วยเหตุผลที่แตกต่างกันมาก กลุ่มของ Koo รู้สึกทึ่งกับกิจกรรมการเร่งปฏิกิริยาของอนุภาคนาโน พวกมันสามารถกระตุ้นไฮโดรเจนเปอร์ออกไซด์เพื่อปลดปล่อยอนุมูลอิสระที่สามารถฆ่าแบคทีเรียที่ก่อให้เกิดฟันผุและย่อยสลายแผ่นชีวะของคราบพลัค ในขณะเดียวกัน Steager และเพื่อนร่วมงานด้านวิศวกรรม ซึ่งรวมถึง Dean Vijay Kumar และศาสตราจารย์ Kathleen Stebe ผู้อำนวยการร่วมของ CiPD กำลังสำรวจอนุภาคนาโนเหล่านี้ในฐานะหน่วยการสร้างของไมโครบอทที่ควบคุมด้วยแม่เหล็ก ด้วยการสนับสนุนจาก Penn Health Tech และ National Institutes of Health's National Institute of Dental and Craniofacial Research ผู้ทำงานร่วมกันของ Penn ได้รวมสองแอปพลิเคชันไว้ในงานปัจจุบัน โดยสร้างแพลตฟอร์มสำหรับควบคุมไมโครโรบ็อตด้วยแม่เหล็กไฟฟ้า ทำให้พวกเขาสามารถปรับใช้การกำหนดค่าที่แตกต่างกันและปล่อยสารต้านจุลชีพได้ ในสถานที่เพื่อรักษาและทำความสะอาดฟันได้อย่างมีประสิทธิภาพ Koo กล่าวว่า "ไม่สำคัญว่าคุณจะมีฟันตรงหรือฟันที่ไม่ตรงแนว มันสามารถปรับตัวเข้ากับพื้นผิวต่างๆ ได้" Koo กล่าว "ระบบสามารถปรับให้เข้ากับทุกซอกทุกมุมในช่องปาก" นักวิจัยได้ปรับการเคลื่อนไหวของไมโครโรบ็อตบนแผ่นวัสดุคล้ายฟันขนาดเล็ก จากนั้น พวกเขาทดสอบประสิทธิภาพของไมโครโรบ็อตที่ปรับตามภูมิประเทศที่ซับซ้อนของผิวฟัน พื้นผิวระหว่างฟัน และขอบเหงือก โดยใช้แบบจำลองฟันที่พิมพ์ 3 มิติ ซึ่งอ้างอิงจากการสแกนฟันของมนุษย์จากคลินิกทันตกรรม สุดท้าย พวกเขาได้ทดลองไมโครโรบ็อตบนฟันจริงของมนุษย์ ซึ่งติดตั้งในลักษณะที่เลียนแบบตำแหน่งของฟันในช่องปาก บนพื้นผิวต่างๆ เหล่านี้ นักวิจัยพบว่าระบบไมโครโรโบติกส์สามารถกำจัดไบโอฟิล์มได้อย่างมีประสิทธิภาพ กำจัดเชื้อโรคที่ตรวจพบได้ทั้งหมด อนุภาคนาโนของไอรอนออกไซด์ได้รับการอนุมัติจาก FDA สำหรับการใช้งานอื่นๆ และการทดสอบการก่อตัวของขนแปรงในแบบจำลองสัตว์พบว่าไม่เป็นอันตรายต่อเนื้อเยื่อเหงือก แท้จริงแล้วระบบสามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างสมบูรณ์ นักวิทยาการหุ่นยนต์และวิศวกรของทีมใช้ความแปรผันของสนามแม่เหล็กเพื่อปรับการเคลื่อนไหวของไมโครโรบอตอย่างแม่นยำ ตลอดจนควบคุมความแข็งและความยาวของขนแปรง นักวิจัยพบว่าปลายขนแปรงสามารถทำให้แข็งพอที่จะขจัดฟิล์มชีวภาพได้ แต่นุ่มพอที่จะไม่ทำลายเหงือกได้ นักวิจัยกล่าวว่าลักษณะที่ปรับแต่งได้ของระบบอาจทำให้อ่อนโยนพอสำหรับการใช้งานทางคลินิก แต่ยังปรับให้เข้ากับลักษณะเฉพาะของช่องปากของผู้ป่วยได้ เพื่อพัฒนาเทคโนโลยีนี้ในคลินิก ทีมงานของ Penn ยังคงเพิ่มประสิทธิภาพการเคลื่อนไหวของหุ่นยนต์ต่อไป และพิจารณาวิธีการต่างๆ ในการส่งมอบไมโครโรบ็อตผ่านอุปกรณ์ครอบปาก พวกเขาอยากเห็นอุปกรณ์ของพวกเขาช่วยเหลือผู้ป่วย "เรามีเทคโนโลยีที่มีประสิทธิภาพเทียบเท่ากับการแปรงฟันและใช้ไหมขัดฟัน แต่ไม่ต้องใช้ความคล่องแคล่ว" Koo กล่าว "เราต้องการเห็นสิ่งนี้ช่วยประชากรสูงอายุและผู้พิการ เราเชื่อว่าสิ่งนี้จะรบกวนรูปแบบปัจจุบันและยกระดับการดูแลสุขภาพช่องปากอย่างมีนัยสำคัญ" ฮยอน (มิเชล) คูเป็นศาสตราจารย์ในภาควิชาทันตกรรมจัดฟันและแผนกสุขภาพช่องปากชุมชนและทันตกรรมสำหรับเด็กในคณะทันตแพทยศาสตร์ และเป็นผู้อำนวยการร่วมของศูนย์นวัตกรรมและทันตกรรมแม่นยำแห่งมหาวิทยาลัยเพนซิลเวเนีย Edward Steager เป็นนักวิจัยอาวุโสในคณะวิศวกรรมศาสตร์และวิทยาศาสตร์ประยุกต์ของ Penn ผู้เขียนร่วมของ Koo และ Steager ได้แก่ Min Jun Oh จาก Penn Dental Medicine, Alaa Babeer, Yuan Liu และ Jingyu Wu จาก Penn Engineering, David A. Issadore, Kathleen J. Stebe และ Daeyeon Lee