可變形的微型機(jī)器人群有朝一日可能充當(dāng)牙刷、漱口水和牙線于一體。該技術(shù)由賓夕法尼亞大學(xué)的一個(gè)多學(xué)科團(tuán)隊(duì)開發(fā)，準(zhǔn)備提供一種新的自動(dòng)化方式來(lái)執(zhí)行刷牙和使用牙線這些平凡但關(guān)鍵的日常任務(wù)。這個(gè)系統(tǒng)對(duì)于那些缺乏手動(dòng)能力的人來(lái)說(shuō)特別有價(jià)值，他們可以自己有效地清潔他們的牙齒。

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這些微型機(jī)器人的構(gòu)件是具有催化和磁力活性的氧化鐵納米顆粒。利用磁場(chǎng)，研究人員可以指導(dǎo)它們的運(yùn)動(dòng)和配置，以形成刷毛般的結(jié)構(gòu)，掃除牙齒表面的牙菌斑，或者形成細(xì)長(zhǎng)的線，可以像一段牙線一樣在牙齒之間滑動(dòng)。在這兩種情況下，一種催化反應(yīng)驅(qū)動(dòng)納米顆粒產(chǎn)生抗菌劑，現(xiàn)場(chǎng)殺死有害的口腔細(xì)菌。

在模擬和真實(shí)的人類牙齒上使用該系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)器人組件可以符合各種形狀，幾乎可以消除導(dǎo)致齲齒和牙齦疾病的粘性生物膜。賓夕法尼亞州的團(tuán)隊(duì)在《ACS Nano》雜志上分享了他們的發(fā)現(xiàn)，為機(jī)器人系統(tǒng)建立了一個(gè)概念驗(yàn)證。

賓夕法尼亞大學(xué)牙醫(yī)學(xué)院正畸系、社區(qū)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(shuō)：“常規(guī)的口腔護(hù)理很麻煩，對(duì)許多人來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)，尤其是那些很難清潔牙齒的人。你必須刷牙，然后使用牙線，然后漱口；這是一個(gè)手動(dòng)、多步驟的過(guò)程。這里最大的創(chuàng)新是，機(jī)器人系統(tǒng)可以以一種單一的、免提的、自動(dòng)化的方式完成這三件事?！?/p>

賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的高級(jí)研究調(diào)查員、共同通訊作者Edward Steager說(shuō)：“納米顆?？梢杂么艌?chǎng)以令人驚訝的方式進(jìn)行塑造和控制。"我們形成的刷子可以延伸、掃過(guò)，甚至在一個(gè)空間內(nèi)來(lái)回轉(zhuǎn)移，很像使用牙線。它的工作方式類似于機(jī)械臂可能伸出來(lái)清潔一個(gè)表面。該系統(tǒng)可以被編程為自動(dòng)完成納米粒子的組裝和運(yùn)動(dòng)控制?！?/p>

顛覆性的口腔護(hù)理技術(shù)

“幾千年來(lái)，牙刷的設(shè)計(jì)一直保持相對(duì)不變，”Koo說(shuō)。

雖然增加了電動(dòng)馬達(dá)，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(xiàng)幾十年來(lái)都沒(méi)有被打破的技術(shù)。”

幾年前，賓夕法尼亞大學(xué)創(chuàng)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(jī)器人系統(tǒng)，采取了重大的顛覆措施。

他們的創(chuàng)新產(chǎn)生于一個(gè)偶然的機(jī)會(huì)。賓夕法尼亞州牙科醫(yī)學(xué)和賓夕法尼亞州工程的研究小組都對(duì)氧化鐵納米顆粒感興趣，但原因非常不同。Koo的研究小組對(duì)納米粒子的催化活性很感興趣。它們可以激活過(guò)氧化氫，釋放自由基，從而殺死導(dǎo)致蛀牙的細(xì)菌并降解牙菌斑生物膜。與此同時(shí)，Steager和工程界的同事，包括Vijay Kumar院長(zhǎng)和CiPD聯(lián)合主任Kathleen Stebe教授，正在探索這些納米粒子作為磁控微型機(jī)器人的構(gòu)建塊。

在賓夕法尼亞州衛(wèi)生技術(shù)研究所和美國(guó)國(guó)立衛(wèi)生研究院的國(guó)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(yīng)用結(jié)合起來(lái)，構(gòu)建了一個(gè)平臺(tái)，用電磁控制微機(jī)器人，使它們能夠采取不同的配置，并在現(xiàn)場(chǎng)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(cuò)位的牙齒，這并不重要，它將適應(yīng)不同的表面，”Koo說(shuō)?！霸撓到y(tǒng)可以適應(yīng)口腔中的所有角落和縫隙?！?/p>

研究人員在一小塊類似牙齒的材料上優(yōu)化了微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。接下來(lái)，他們使用基于牙科診所人類牙齒掃描的3D打印牙齒模型，測(cè)試了微型機(jī)器人適應(yīng)牙齒表面、齒間表面和牙齦線的復(fù)雜地形的性能。最后，他們?cè)谡鎸?shí)的人類牙齒上試驗(yàn)了微型機(jī)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(fā)現(xiàn)，在這些不同的表面上，微型機(jī)器人系統(tǒng)可以有效地消除生物膜，清除它們中所有可檢測(cè)到的病原體。氧化鐵納米顆粒已被美國(guó)食品和藥物管理局（FDA）批準(zhǔn)用于其他用途，對(duì)動(dòng)物模型上的刷毛形成的測(cè)試表明，它們沒(méi)有傷害牙齦組織。

事實(shí)上，該系統(tǒng)是完全可編程的；該團(tuán)隊(duì)的機(jī)器人專家和工程師利用磁場(chǎng)的變化來(lái)精確調(diào)整微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并控制刷毛的硬度和長(zhǎng)度。研究人員發(fā)現(xiàn)，刷毛的尖端可以變得足夠堅(jiān)硬，以清除生物膜，但又足夠柔軟，以避免對(duì)牙齦造成損害。

研究人員說(shuō)，該系統(tǒng)的可定制性可以使它在臨床使用時(shí)足夠溫和，同時(shí)也是個(gè)性化的，能夠適應(yīng)病人口腔的獨(dú)特特征。

為了將這一創(chuàng)新推向臨床，賓夕法尼亞大學(xué)的團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)優(yōu)化機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，并考慮通過(guò)口腔貼合設(shè)備提供微型機(jī)器人的不同方法。他們渴望看到他們的設(shè)備在臨床上幫助人們。

“我們有這種技術(shù)，與刷牙和使用牙線一樣或更有效，但不需要手動(dòng)操作，”Koo說(shuō)?！拔覀兿Ｍ吹竭@能幫助老年群體和殘疾人。我們相信它將顛覆目前的模式，并在很大程度上推動(dòng)口腔健康護(hù)理?！?/p>

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