Robert Klatt
Mikroroboter aus Eisenoxid-Nanopartikeln können Zähne physikalisch und mikrobiell reinigen. Schon bald soll das Robotersystem mit Menschen erprobt werden.
Philadelphia (U.S.A.). Global leiden etwa 3,5 Milliarden Menschen unter den Folgen von mangelnde Mundhygiene und unregelmäßige Prophylaxebehandlungen. Wissenschaftler der University of Pennsylvania haben deshalb formwandlungsfähige Mikrorobotern entwickelt, die die Mundhygiene der Anwender verbessern können. Laut ihrer Publikation im Fachmagazin ACS Nano können die kleinen Roboter aus Eisenoxid-Nanopartikeln verschiedene Formen annehmen und Zahnbürste, Zahnseide und Mundwasser ersetzen.
Die interdisziplinäre Zusammenarbeit der Wissenschaftler entstand durch einen Zufall. Demnach untersuchten Zahnmediziner die katalytische Wirkung von Eisenoxid-Nanopartikeln, die Karies verursachende Bakterien abzutöten kann. Parallel dazu arbeiteten Ingenieure daran, aus Eisenoxid-Nanopartikeln magnetisch gesteuerte Mikroroboter zu bauen. Als die beiden Forschergruppen davon erfahren haben, dass sich ihre Projekte überschneiden, entschieden sie sich dafür, gemeinsam ein Robotersystem zu entwickeln, das die Mundhygiene verbessern soll.
Es entstand so eine Lösung, die Zahnbürste, Zahnseide und Mundwasser ersetzen kann und die Mundhygiene vereinfacht. Das innovative Mikrorobotersystem kann freihändig verwendet werden. „Nanopartikel können mit Magnetfeldern auf überraschende Weise geformt und gesteuert werden. Wir formen Borsten, die sich ausdehnen, bürsten und sogar durch einen Raum hin- und herbewegen können, ähnlich wie Zahnseide. Die Funktionsweise ist vergleichbar mit der eines Roboterarms, der eine Oberfläche reinigen kann. Das System kann so programmiert werden, dass es den Zusammenbau der Nanopartikel und die Bewegungssteuerung automatisch durchführt“, erklärt Edward Steager.
Zudem nutzen die Wissenschaftler die katalytische Wirkung der Eisenoxid-Nanopartikel, um im Mundraum antimikrobielle Substanzen zu produzieren. Diese bekämpfen Mundbakterien und verhindern dadurch gemeinsam mit einer manuellen Reinigung Zahnfleischerkrankungen und Karies. Weil sich das System den verschiedenen Oberflächen anpasst, erreicht es sowohl bei geraden Zähnen als auch bei starken Zahnfehlstellungen alle Ecken und Winkel der Mundhöhle.
In einem Experiment mit 3D-gedruckten Zahnmodellen und echten menschlichen konnten die Forscher feststellen, dass die antimikrobiellen Substanzen die problematischen Bakterien wirksam bekämpft. Zudem zeigen Tierversuche, dass die physikalische und mikrobielle Reinigung die Zähne und das empfindliche Zahnfleischgewebe nicht beschädigt. Wie die Wissenschaftler erklären, ist der Einsatz von Eisenoxid-Nanopartikel in der Medizin bereits durch die Food an Drug Administration (FDA) freigegeben.
Die Forscher wollen nun das System weiter optimieren. Mithilfe eines variablen Magnetfelds können sie die Bewegungen der Mikroroboter steuern und die Steifigkeit und Länge der Borsten festlegen. Es kann so eine optimale Reinigung erreicht werden, ohne das Zahnfleisch anzugreifen. Sobald das System optimiert ist, sollen klinische Studien mit Menschen erfolgen.
ACS Nano, doi: 10.1021/acsnano.2c01950
