有朝一日，一個(gè)變形的機(jī)器人微群可能會(huì)集牙刷、漱口水和牙線于一身。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)，有望提供一種新的自動(dòng)化方式來執(zhí)行日常刷牙和使用牙線等平凡但至關(guān)重要的任務(wù)。對(duì)于那些缺乏手動(dòng)靈巧性來自己有效清潔牙齒的人來說，這是一個(gè)特別有價(jià)值的系統(tǒng)。

這些微型機(jī)器人的組成部分是具有催化和磁活性的氧化鐵納米顆粒。使用磁場(chǎng)，研究人員可以引導(dǎo)他們的運(yùn)動(dòng)和配置形成刷毛狀結(jié)構(gòu)，從牙齒寬闊的表面清除牙菌斑，或者形成細(xì)長(zhǎng)的細(xì)繩，可以像牙線一樣在牙齒之間滑動(dòng)。在這兩種情況下，催化反應(yīng)都會(huì)驅(qū)動(dòng)納米顆粒產(chǎn)生抗菌劑，從而在現(xiàn)場(chǎng)殺死有害的口腔細(xì)菌。

在模擬和真人牙齒上使用該系統(tǒng)進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，機(jī)器人組件可以適應(yīng)各種形狀，幾乎可以消除導(dǎo)致蛀牙和牙齦疾病的粘性生物膜。Penn團(tuán)隊(duì)在ACSNano雜志上分享了他們?yōu)闄C(jī)器人系統(tǒng)建立概念驗(yàn)證的發(fā)現(xiàn)。

“常規(guī)口腔護(hù)理很麻煩，會(huì)給許多人帶來挑戰(zhàn)，尤其是那些難以清潔牙齒的人”，賓夕法尼亞大學(xué)正畸學(xué)系和社區(qū)口腔健康和兒科牙科部門的教授Hyun(Michel)Koo說牙科醫(yī)學(xué)博士和該研究的共同通訊作者。“你必須刷牙，然后用牙線清潔牙齒，然后漱口;這是一個(gè)手動(dòng)的、多步驟的過程。這里最大的創(chuàng)新是機(jī)器人系統(tǒng)可以通過單一、免提、自動(dòng)化的方式完成這三個(gè)過程。”

賓夕法尼亞大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院的高級(jí)研究人員、共同通訊作者EdwardSteager說：“納米粒子可以通過磁場(chǎng)以令人驚訝的方式成形和控制。”“我們形成的刷毛可以延伸、掃掠，甚至在空間中來回移動(dòng)，就像使用牙線一樣。它的工作方式類似于機(jī)械臂伸出并清潔表面的方式。系統(tǒng)可以通過編程來完成納米粒子組裝和運(yùn)動(dòng)自動(dòng)控制。”

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

雖然添加電動(dòng)機(jī)提升了基本的“棒上刷毛形式”，但基本概念保持不變。“這是一項(xiàng)幾十年來沒有被顛覆的技術(shù)。”

幾年前，由Koo擔(dān)任聯(lián)合主任的創(chuàng)新與精密牙科中心(CiPD)的賓夕法尼亞大學(xué)研究人員使用這種微型機(jī)器人系統(tǒng)采取了重大突破措施。

他們的創(chuàng)新源于一點(diǎn)意外。PennDentalMedicine和PennEngineering的研究小組都對(duì)氧化鐵納米顆粒感興趣，但原因卻截然不同。Koo的小組對(duì)納米粒子的催化活性很感興趣。它們可以激活過氧化氫以釋放自由基，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和工程同事，包括DeanVijayKumar和CiPD聯(lián)合主任KathleenStebe教授，正在探索將這些納米顆粒作為磁控微型機(jī)器人的構(gòu)建塊。

在PennHealthTech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，Penn的合作者在當(dāng)前工作中結(jié)合了這兩個(gè)應(yīng)用程序，構(gòu)建了一個(gè)電磁控制微型機(jī)器人的平臺(tái)，使它們能夠采用不同的配置并釋放抗菌劑現(xiàn)場(chǎng)有效治療和清潔牙齒。

“不管你的牙齒是直牙還是錯(cuò)位，它都會(huì)適應(yīng)不同的表面，”Koo說。“該系統(tǒng)可以適應(yīng)口腔中的所有角落和縫隙。”

研究人員優(yōu)化了微型機(jī)器人在一小塊類似牙齒的材料上的運(yùn)動(dòng)。接下來，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，這些牙齒以模仿口腔中牙齒位置的方式安裝。

在這些不同的表面上，研究人員發(fā)現(xiàn)微型機(jī)器人系統(tǒng)可以有效地消除生物膜，清除所有可檢測(cè)到的病原體。氧化鐵納米顆粒已被FDA批準(zhǔn)用于其他用途，并且在動(dòng)物模型上對(duì)刷毛形成的測(cè)試表明它們不會(huì)傷害牙齦組織。

實(shí)際上，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)的變化來精確調(diào)整微型機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)以及控制刷毛的剛度和長(zhǎng)度。研究人員發(fā)現(xiàn)，刷毛的尖端可以做得足夠堅(jiān)固以去除生物膜，但又足夠柔軟以避免損壞牙齦。

研究人員說，該系統(tǒng)的可定制性可以使其足夠溫和以供臨床使用，而且可以個(gè)性化，能夠適應(yīng)患者口腔的獨(dú)特地形。

為了將這項(xiàng)技術(shù)推向臨床，Penn團(tuán)隊(duì)正在繼續(xù)優(yōu)化機(jī)器人的動(dòng)作，并考慮通過口腔貼合設(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)備幫助患者。

“我們擁有的這項(xiàng)技術(shù)與刷牙和使用牙線一樣或更有效，但不需要手動(dòng)靈巧，”Koo說。“我們很樂意看到這有助于老年人和殘疾人。我們相信它將破壞當(dāng)前的模式并大大推進(jìn)口腔保健。”

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