科學家開發抗菌微型機器人,能分解生物薄膜協助清潔牙菌斑

作者 | 發布日期 2019 年 05 月 02 日 19:08 | 分類 生物科技 , 醫療科技 follow us in feedly


為了防止牙菌斑形成牙結石,人們得經常性訪問牙科醫師尋求協助,清理過程更經常耗時且充滿機械聲音。為了改善治療方案,賓州大學牙科與工程團隊開發了一種催化抗菌微型機器人,能巧妙協助深度清除牙菌斑,甚至有望拓展至其他用途。

所謂的牙菌斑,其實便是在牙齒表面逐漸沉積的生物薄膜(biofilms),這種由細菌組成的黏性混合物除了會出現在牙齒、關節等生物表面,在水管、植入物或導管中也經常發現。由於黏性基質提供對抗微生物的保護,無論生物薄膜何時形成,都非常難以去除。

研究作者之一、牙科醫學院 Hyun Koo 指出,過去無論對消費者還是專業人士來說,治療牙齒上的生物薄膜都需要大量手工勞動,而團隊希望能透過此項創新改善改善治療方案並降低護理難度。「我們正在利用微生物學家、臨床醫生以及工程師的專業知識來設計最好的微生物根除系統,當我們走進後抗生素時代時,這將對面臨抗藥性生物薄膜的其他生醫領域來說至關重要。」

過去的研究中,Koo 及同事曾在破壞生物薄膜基質取得一些進展,他們發現使用含氧化鐵的奈米顆粒進行催化作用,可以活化過氧化氫釋放自由基(free radicals)來針對性的殺死細菌並破壞生物薄膜。而無獨有偶,團隊偶然發現賓州大學有一組工程團隊也在使用非常相似的氧化鐵奈米離子建造微型機器人,由於工程師能用磁場控制機器人的動作,不需用額外的器具引導,對牙科團隊的目標可說是非常理想。

雙方團隊合作之下,測試、改良了兩種類型的機器人系統,能用來降解並去除生物薄膜,其中一種設計在表面工作,另一種則設計在狹窄空間操作,兩種類型的微型機器人都能有效殺死細菌,破壞周圍的基質並仔細清除碎片,團隊將之命名為「CARs」(catalytic antimicrobial robots)。

對玻璃表面和封閉玻璃管上生長的生物薄膜進行測試後,研究人員進一步嘗試更具臨床相關性的應用,結果顯示不僅是牙齒表面或常見的縫隙,CARs 還可從牙齒最難以進入的部位之一:根管峽(isthmus)去除細菌生物薄膜。

Koo 解釋,生物薄膜的現有處理可說是無效,因為無法同時做到降解保護基質、殺死其中細菌並物理去除降解產物,相較之下,兩種 CARs 機器人系統都可以非常有效做到這點,不會殘留任何生物薄膜痕跡,這點也讓生物薄膜重新生長的可能性大幅降低。

從保持水管、導管清潔,到降低蛀牙、牙髓感染和植入物污染的風險,能去除生物薄膜的微型機器人系統都有廣泛的潛在用途。研究團隊正在獲得 Penn Health-Tech 的協助,持續完善技術並計畫在未來將創新推向臨床應用,研究已刊載在《Science Robotics》期刊。

(首圖來源:UPenn/Geelsu Hwang , Edward Steager