去看牙医通常需要花费大量时间，有时还会使用机械工具进行不愉快的刮擦，以去除牙齿上的牙菌斑。如果牙医能够部署一支小型机器人军队，精确且非侵入性地去除这种堆积物，那会怎样呢？
宾夕法尼亚大学的一组工程师、牙医和生物学家开发了一支微型机器人清洁队伍。科学家们展示了具有催化活性的机器人能够有效破坏生物膜，这些生物膜是由细菌组成的粘性混合物，嵌入在保护性支架中。这种机器人生物膜去除系统在许多潜在应用中可能非常有价值，从保持水管和导管清洁到降低龋齿、根管感染和植入物污染的风险。
这项工作由牙医学院的Hyun (Michel) Koo和工程与应用科学学院的Edward Steager领导，发表在《科学机器人》上。Koo表示：“这是一个真正的协同和多学科互动。”Steager补充道：“我们希望改善治疗选择，同时减少护理的难度。”
生物膜可以出现在生物表面，如牙齿、关节，或在物体上，如水管、植入物或导管。无论生物膜形成在哪里，它们都以难以去除而著称，因为粘性基质为细菌提供了保护，使其免受抗菌剂的影响。
在之前的工作中，Koo和他的同事们通过多种创新方法在分解生物膜基质方面取得了进展。一种策略是使用含有氧化铁的纳米颗粒，这些纳米颗粒通过催化作用激活过氧化氢，释放自由基，可以有针对性地杀死细菌并破坏生物膜。
宾夕法尼亚大学牙医学院团队偶然发现，宾夕法尼亚大学工程学院的Steager、Vijay Kumar和Kathleen Stebe领导的团队正在使用非常相似的氧化铁纳米颗粒作为微型机器人的构建模块。工程师们使用磁场控制这些机器人的移动，从而实现无系绳的方式引导它们。
跨学院团队设计、优化并测试了两种类型的机器人系统，这些系统被称为催化抗菌机器人（CARs），能够降解和去除生物膜。第一种方法是将氧化铁纳米颗粒悬浮在溶液中，然后通过磁铁引导它们以类似犁的方式去除表面的生物膜。第二种平台涉及将纳米颗粒嵌入三维形状的凝胶模具中。这些被用来瞄准并破坏堵塞封闭管道的生物膜。
CARs能够有效杀死细菌，分解包围它们的基质，并以高精度去除碎片。在测试了机器人对生长在平坦玻璃表面或封闭玻璃管中的生物膜的作用后，研究人员尝试了一个更具临床相关性的应用：去除人类牙齿难以到达部分的生物膜。
CARs不仅能够从牙齿表面降解和去除细菌生物膜，还能够从一个最难到达的部分——牙根管之间的狭窄走廊（即峡部）去除生物膜，这是生物膜常见生长的地方。
Koo表示：“现有的生物膜治疗方法无效，因为它们无法同时降解保护性基质、杀死嵌入的细菌并物理去除生物降解产物。这些机器人可以非常有效地同时完成这三项任务，不留任何生物膜的痕迹。”
通过清除生物膜的降解残留物，Koo表示，生物膜重新生长的可能性大大降低。研究人员设想精确引导这些机器人到需要去除生物膜的任何地方，无论是导管内部、水管还是难以到达的牙齿表面。
Steager说：“我们认为机器人是基于主动收集的信息采取行动的自动化系统。”他补充道：“在这种情况下，机器人的运动可以通过微型相机或其他医疗成像模式收集的生物膜图像来指导。”
为了推动这一创新向临床应用发展，研究人员得到了宾夕法尼亚大学健康、设备和技术中心的支持，该中心由宾夕法尼亚大学佩雷尔曼医学院、工程学院和研究副校长办公室支持。Penn Health-Tech，正如其名，为选定的跨学科团队提供支持，以创建新的健康技术，机器人平台项目是2018年获得支持的项目之一。
Penn Health-Tech的执行董事Victoria Berenholz表示：“该团队在牙科方面有很强的临床背景，在工程方面有很强的技术背景。我们在这里帮助他们在商业方面完善。他们在项目上确实做得非常出色。”