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Forscher entwickeln Mikroroboter, um Plaque aufzubrechen

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PHILADELPHIA, USA: Der Kampf gegen Plaque ist ein langwieriger Kampf. In einer Entdeckung, die Zahnärzten den oberen Rand geben könnte, haben Forscher der University of Pennsylvania einen Schwarm von Mikrorobotern entwickelt, die von Magneten gesteuert werden, die auseinander brechen und den dentalen Biofilm von einem Zahn entfernen können. Die Innovation entstand aus einer interdisziplinären Partnerschaft zwischen Zahnärzten, Biologen und Ingenieuren.

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Der leitende Forscher Prof. Hyun Koo von der University of Pennsylvania School of Dental Medicine (Penn Dental Medicine) sagte, die Entwicklung sei wirklich eine synergistische und multidisziplinäre Interaktion. "Wir nutzen die Expertise von Mikrobiologen und Klinikern sowie Ingenieuren, um das bestmögliche mikrobielle Eradikationssystem zu entwickeln. Dies ist wichtig für andere biomedizinische Bereiche, die mit medikamentenresistenten Biofilmen konfrontiert sind, da wir uns einer postantibiotischen Ära nähern", erklärte er.

Diese Zusammenarbeit entstand, nachdem Koo und seine Kollegen beim Abbau der Biofilmmatrix vorangekommen sind, indem sie eisenoxidhaltige Nanopartikel verwendeten, die katalytisch wirken und Wasserstoffperoxid aktivieren, um freie Radikale freizusetzen, die Bakterien abtöten und Biofilme gezielt zerstören können. Glücklicherweise fand das Penn Dental Medicine Team heraus, dass Gruppen bei Penn Engineering unter der Leitung von Dr. Edward Steager, Prof. Vijay Kumar und Prof. Kathleen Stebe mit einer Roboterplattform arbeiteten, die sehr ähnliche Eisenoxid-Nanopartikel als Bausteine für Mikroroboter verwendete. Die Ingenieure steuern die Bewegung dieser Roboter über ein Magnetfeld, so dass sie ohne Kabel gesteuert werden können.

Gemeinsam entwarf, optimierte und testete das schulübergreifende Team zwei Arten von Robotersystemen, die die Gruppe katalytische antimikrobielle Roboter oder CARs nannte. Ein System arbeitet auf Oberflächen und das andere auf engstem Raum. Nachdem die Roboter an Biofilmen getestet wurden, die entweder auf einer flachen Glasoberfläche oder in geschlossenen Glasröhren wachsen, testeten die Forscher die Entfernung von Biofilm von schwer zugänglichen Teilen eines menschlichen Zahnes. Nach Angaben der Forscher konnten die CARs bakterielle Biofilme nicht nur von einer Zahnoberfläche, sondern auch von einem der schwer zugänglichen Teile eines Zahnes, dem Isthmus, abbauen und entfernen.

"Bestehende Behandlungen für Biofilme sind wirkungslos, weil sie nicht in der Lage sind, gleichzeitig die Schutzmatrix abzubauen, die eingebetteten Bakterien abzutöten und die biologisch abgebauten Produkte physikalisch zu entfernen", bemerkte Koo. "Diese Roboter können alle drei auf einmal sehr effektiv machen, ohne Spuren von Biofilm zu hinterlassen."

"Die Behandlung von Biofilmen, die an Zähnen auftreten, erfordert viel Handarbeit, sowohl vom Verbraucher als auch vom Fachmann. Wir hoffen, die Behandlungsmöglichkeiten zu verbessern und die Schwierigkeit der Pflege zu reduzieren", sagte Steager.

Das Team hofft nun, seine Erfindung in die klinische Anwendung zu bringen und hat Unterstützung vom Penn Center for Health, Devices and Technology erhalten, einer Initiative, die von der Perelman School of Medicine, Penn Engineering und dem Office of the Vice Provost for Research an der University of Pennsylvania unterstützt wird.