这些微型机器人的构件是具有催化和磁力活性的氧化铁纳米颗粒。利用磁场，研究人员可以指导它们的运动和配置，以形成刷毛般的结构，扫除牙齿表面的牙菌斑，或者形成细长的线，可以像一段牙线一样在牙齿之间滑动。在这两种情况下，一种催化反应驱动纳米颗粒产生抗菌剂，现场杀死有害的口腔细菌。
在模拟和真实的人类牙齿上使用该系统的实验表明，机器人组件可以符合各种形状，几乎可以消除导致龋齿和牙龈疾病的粘性生物膜。宾夕法尼亚州的团队在《ACS Nano》杂志上分享了他们的发现，为机器人系统建立了一个概念验证。
宾夕法尼亚大学牙医学院正畸系、社区口腔健康和儿童牙科部门的教授、该研究的共同通讯作者Hyun (Michel) Koo说：“常规的口腔护理很麻烦，对许多人来说是个挑战，尤其是那些很难清洁牙齿的人。你必须刷牙，然后使用牙线，然后漱口；这是一个手动、多步骤的过程。这里最大的创新是，机器人系统可以以一种单一的、免提的、自动化的方式完成这三件事。”
宾夕法尼亚大学工程与应用科学学院的高级研究调查员、共同通讯作者Edward Steager说：“纳米颗粒可以用磁场以令人惊讶的方式进行塑造和控制。"我们形成的刷子可以延伸、扫过，甚至在一个空间内来回转移，很像使用牙线。它的工作方式类似于机械臂可能伸出来清洁一个表面。该系统可以被编程为自动完成纳米粒子的组装和运动控制。”
颠覆性的口腔护理技术
“几千年来，牙刷的设计一直保持相对不变，”Koo说。
虽然增加了电动马达，提升了基本的“bristle-on-a-stick”形式，但基本概念仍然保持不变。“这是一项几十年来都没有被打破的技术。”
几年前，宾夕法尼亚大学创新与精密牙科中心（CiPD）的研究人员（Koo是该中心的共同主任）使用这种微型机器人系统，采取了重大的颠覆措施。
他们的创新产生于一个偶然的机会。宾夕法尼亚州牙科医学和宾夕法尼亚州工程的研究小组都对氧化铁纳米颗粒感兴趣，但原因非常不同。Koo的研究小组对纳米粒子的催化活性很感兴趣。它们可以激活过氧化氢，释放自由基，从而杀死导致蛀牙的细菌并降解牙菌斑生物膜。与此同时，Steager和工程界的同事，包括Vijay Kumar院长和CiPD联合主任Kathleen Stebe教授，正在探索这些纳米粒子作为磁控微型机器人的构建块。
在宾夕法尼亚州卫生技术研究所和美国国立卫生研究院的国家牙科和颅面研究所的支持下，宾夕法尼亚州的合作者在目前的工作中把这两种应用结合起来，构建了一个平台，用电磁控制微机器人，使它们能够采取不同的配置，并在现场释放抗菌剂，有效地治疗和清洁牙齿。
“如果你有整齐的牙齿或错位的牙齿，这并不重要，它将适应不同的表面，”Koo说。“该系统可以适应口腔中的所有角落和缝隙。”
研究人员在一小块类似牙齿的材料上优化了微型机器人的运动。接下来，他们使用基于牙科诊所人类牙齿扫描的3D打印牙齿模型，测试了微型机器人适应牙齿表面、齿间表面和牙龈线的复杂地形的性能。最后，他们在真实的人类牙齿上试验了微型机器人，这些牙齿的安装方式是为了模仿牙齿在口腔中的位置。
研究人员发现，在这些不同的表面上，微型机器人系统可以有效地消除生物膜，清除它们中所有可检测到的病原体。氧化铁纳米颗粒已被美国食品和药物管理局（FDA）批准用于其他用途，对动物模型上的刷毛形成的测试表明，它们没有伤害牙龈组织。
事实上，该系统是完全可编程的；该团队的机器人专家和工程师利用磁场的变化来精确调整微型机器人的运动，并控制刷毛的硬度和长度。研究人员发现，刷毛的尖端可以变得足够坚硬，以清除生物膜，但又足够柔软，以避免对牙龈造成损害。
研究人员说，该系统的可定制性可以使它在临床使用时足够温和，同时也是个性化的，能够适应病人口腔的独特特征。
为了将这一创新推向临床，宾夕法尼亚大学的团队正在继续优化机器人的运动，并考虑通过口腔贴合设备提供微型机器人的不同方法。他们渴望看到他们的设备在临床上帮助人们。
“我们有这种技术，与刷牙和使用牙线一样或更有效，但不需要手动操作，”Koo说。“我们希望看到这能帮助老年群体和残疾人。我们相信它将颠覆目前的模式，并在很大程度上推动口腔健康护理。”
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