Uma visita ao dentista geralmente envolve raspagem demorada e às vezes desagradável com ferramentas mecânicas para acabar com a placa dentária. E se, em vez disso, um dentista pudesse implantar um pequeno exército de minúsculos robôs para remover de forma precisa e não invasiva esse acúmulo?
Uma equipe de engenheiros, dentistas e biólogos da Universidade da Pensilvânia desenvolveu uma equipe de limpeza robótica microscópica. Com dois tipos de sistemas robóticos – um projetado para trabalhar em superfícies e outro para operar em espaços confinados – os cientistas mostraram que robôs com atividade catalítica poderiam habilmente destruir biofilmes, aglutinantes pegajosos de bactérias enredados em um andaime de proteção. Esses sistemas robóticos de remoção de biofilme poderiam ser valiosos em uma ampla gama de aplicações potenciais, desde manter os tubos de água e cateteres limpos até reduzir o risco de cáries dentárias, infecções endodônticas e contaminação de implantes.
O trabalho, publicado na Science Robotics, foi conduzido por Hyun (Michel) Koo da Faculdade de Medicina Dentária e Edward Steager da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas.
“Essa foi uma interação verdadeiramente sinérgica e multidisciplinar”, diz Koo. “Estamos aproveitando a experiência de microbiologistas e cientistas clínicos e engenheiros para projetar o melhor sistema de erradicação microbiana possível. Isso é importante para outros campos biomédicos que enfrentam biofilmes resistentes a medicamentos à medida que nos aproximamos de uma era pós-antibiótica.”
“Tratar biofilmes que ocorrem nos dentes exige muito trabalho manual, tanto por parte do consumidor quanto do profissional”, acrescenta Steager. “Esperamos melhorar as opções de tratamento, bem como reduzir a dificuldade de atendimento”.
Biofilmes podem surgir em superfícies biológicas, como em um dente ou em uma articulação ou em objetos, como canos de água, implantes ou cateteres. Onde quer que os biofilmes se formem, eles são notoriamente difíceis de remover, já que a matriz pegajosa que contém as bactérias fornece proteção contra agentes antimicrobianos.
Em trabalhos anteriores, Koo e seus colegas fizeram progressos na quebra da matriz de biofilme com uma variedade de métodos fora da caixa. Uma estratégia tem sido empregar nanopartículas contendo óxido de ferro que trabalham cataliticamente, ativando o peróxido de hidrogênio para liberar radicais livres que podem matar bactérias e destruir biofilmes de maneira direcionada.
Por acaso, a equipe da Penn Dental Medicine descobriu que os grupos da Penn Engineering, liderados por Steager, Vijay Kumar e Kathleen Stebe, estavam trabalhando com uma plataforma robótica que usava nanopartículas de óxido de ferro muito similares como blocos de construção para microrrobôs. Os engenheiros controlam o movimento desses robôs usando um campo magnético, permitindo uma maneira livre de amarrá-los.
Juntos, a equipe de cross-school projetou, otimizou e testou dois tipos de sistemas robóticos, que o grupo chama de robôs antimicrobianos catalíticos, ou CARs, capazes de acabar com a placa dentária degradando e removendo biofilmes. O primeiro envolve a suspensão de nanopartículas de óxido de ferro em uma solução, que pode então ser direcionada por ímãs para remover biofilmes de uma superfície de uma maneira similar a arado. A segunda plataforma envolve a incorporação das nanopartículas em moldes de gel em formas tridimensionais. Estes foram usados para direcionar e destruir os tubos fechados entupimento de biofilmes.
Ambos os tipos de CARs efetivamente mataram as bactérias, quebraram a matriz que os cercam e removeram os detritos com alta precisão. Depois de testar os robôs em biofilmes que crescem em uma superfície de vidro plano ou em tubos de vidro fechados, os pesquisadores experimentaram uma aplicação clinicamente mais relevante: Remoção de biofilme de partes difíceis de alcançar de um dente humano.
Os CARs foram capazes de degradar e remover biofilmes bacterianos não apenas de uma superfície dentária, mas de uma das partes mais difíceis de acessar de um dente, o istmo, um corredor estreito entre os canais radiculares, onde os biofilmes comumente crescem.
“Os tratamentos existentes para acabar com a placa dentária, ou biofilmes, são ineficazes porque são incapazes de degradar simultaneamente a matriz protetora, matando as bactérias incorporadas e removendo fisicamente os produtos biodegradados”, diz Koo. “Esses robôs podem fazer todos os três ao mesmo tempo de forma muito eficaz, não deixando vestígios de biofilme.”
Ao acabar com a placa dentária, removendo os restos degradados do biofilme, diz Koo, a chance de ele se estabilizar e voltar a crescer diminui substancialmente. Os pesquisadores imaginam precisamente direcionar esses robôs para onde eles precisarem para remover biofilmes, seja o interior de um cateter ou uma linha de água ou superfícies de dentes difíceis de alcançar.
“Pensamos em robôs como sistemas automatizados que realizam ações com base em informações coletadas ativamente”, diz Steager. Nesse caso, diz ele, “o movimento do robô pode ser informado por imagens do biofilme coletado de microcâmeras ou outros modos de imagens médicas”.
Para levar a inovação para o caminho da aplicação clínica, os pesquisadores estão recebendo apoio do Centro Penn para Saúde, Dispositivos e Tecnologia, uma iniciativa apoiada pela Faculdade Perelman de Medicina da Penn, Penn Engineering, e pelo Gabinete do Vice-Reitor da Pesquisa. A Penn Health-Tech, como é conhecida, premia grupos interdisciplinares selecionados com suporte para criar novas tecnologias de saúde, e o projeto de plataformas robóticas foi um dos apoios concedidos em 2018.
“A equipe tem uma ótima base clínica no lado dentário e um grande conhecimento técnico do lado da engenharia”, diz Victoria Berenholz, diretora executiva da Penn Health-Tech. “Ajudamos a complementá-los conectando-os a mentores de negócios e recursos da comunidade de Penn para traduzir sua tecnologia. Eles realmente fizeram um trabalho fantástico no projeto.”
Além de Koo, Steager, Stebe e Kumar, o estudo foi co-autor do primeiro autor Geelsu Hwang, Amauri J. Paula, Yuan Liu, Alaa Babeer e Bekir Karabucak, todos da Faculdade de Medicina Dentária, e Elizabeth E. Hunter. da Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas.
O estudo foi apoiado em parte pelo Instituto Nacional de Pesquisa Dental e Craniofacial (subvenções DE025848 e DE018023) e National Science Foundation.
Hyun (Michel) Koo é professora no Departamento de Ortodontia da Penn Dental Medicine e nas divisões de Odontopediatria e Saúde Oral Comunitária.
Edward Steager é um pesquisador na Escola de Engenharia e Robótica Geral da Ciência Aplicada, Laboratório de Automação, Detecção e Percepção (GRASP Lab).
Vijay Kumar é o Reitor da Família Nemirovsky da Penn Engineering com nomeações nos departamentos de Engenharia Mecânica e Mecânica Aplicada, Computação e Ciência da Informação, e Engenharia Elétrica e de Sistemas.
Kathleen Stebe é a professora de engenharia química e biomolecular Richer e Elizabeth Goodwin na Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas.
Publicado em: Faculdade da Pensilvânia
