歯を磨くのが面倒ですか?マイクロロボットは自動的にそれを手伝ってくれ、いつでも歯ブラシとデンタルフロスを交換することもできます。

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案の定、人類の技術進歩の原動力は怠惰です。

食器洗い機から掃除ロボット、そして今では歯を磨く超小型ロボットまであります！

そうです、口の中の細菌を洗浄できるロボットです。

このマイクロロボットには歯科助手としての機能も備わっています。

マイクロロボットを構成する材料の化学的性質に基づいて、虫歯の原因となる歯のバイオフィルムや細菌を除去できるだけでなく、口内の病原体を収集して口腔の問題の診断に役立てることもできます。

研究結果は発表されるや否や白熱した議論を巻き起こし、ネットユーザーの中には「将来、歯科医は必要なくなるのではないか」と疑問を抱く者もいる。

ユーザー名から判断すると、この男性は歯科医であるはずです。職業上の危機感が非常に敏感です。(犬の頭)

ロボットはどのようにして歯磨きを手伝ってくれるのでしょうか?

この歯磨きマイクロロボットの主な機能は、変形できること、歯石を除去できること、歯科医の診断データを収集できることの3つです。

これらの機能を実現する原理は、磁場制御と酸化鉄ナノ粒子（IONP）の化学的特性を同時に利用することです。

具体的には：

IONP は磁場を変えることで形状を変えることができます。皆さんもこのようなビデオを見たことがあると思います。

この原理は医療分野で広く利用されており、歯磨きマイクロロボットもIONPをキャリアとして利用して実現されています。

まず、IONPの制御可能な変形を可能にするために、研究チームはロボットの原理に基づいた磁場制御プラットフォームを設計しました。このプラットフォームは、磁場を変更することでIONPの上部構造を組み立て、再構成し、駆動することができます。

この制御プラットフォームにより、IONP は一定の剛性を持つ剛毛のような形状に変形できます。これらの剛毛は歯ブラシのように歯の表面のバイオフィルムを突き刺し、歯石で覆われた表面に到達して清掃することができます。

さらに、これらの「剛毛」には、長さとカバー範囲を制御できるという別の機能があります。研究チームがIONP懸濁液の実験を行ったところ、「剛毛」の長さとカバー範囲は次の3つの要因に依存することがわかりました。

• IONP懸濁液の濃度、濃度が高いほど長さが長くなります。
• 流体抵抗の速度により、IONP は磁場とともに前後に移動します。磁場抵抗速度が速い場合、IONP 間の凝集力が破壊され、長さが短くなります。
• 磁場の強さも要因の 1 つであり、「剛毛」の長さと磁場の強さの間には正の相関関係があります。

実験中、研究チームはIONPの凝集力と剛性を変化させることで、複雑な表面上でのIONPの移動と洗浄を実現しました。

その後の実験では、研究チームは3Dプリンターを使って人間の口腔構造を再現。以上の実験をもとに、細菌が集まる歯の隙間の清掃役となるIONPの「デンタルフロス」形態を実現することに成功した。

歯ブラシマイクロロボットの歯垢除去能力は、IONP の化学的特性に依存しています。

これまでの研究では、IONP はペルオキシダーゼのような活性を持ち、過酸化水素を触媒して抗菌効果を発揮できることが示されており、IONP はバイオフィルムの治療にも使用されています。

研究チームは、固定された幾何学的プレート上で、IONP を洗浄が必要な病原性領域に正確に誘導しました。IONP の「剛毛」はバイオフィルムに直接接触し、病原性領域付近の過酸化水素によって生成された活性酸素を触媒することで、同時にその場で細菌を殺しました。

診断情報を収集する能力を実証するために、研究チームは、歯の表面のバイオフィルムによく見られる細菌および真菌の病原体であるカンジダ・アルビカンスの株を使用しました。

研究チームは、上記の段階でバイオフィルムのサンプルを収集した後、IONP の「剛毛」の中に活性細菌と真菌が存在することを発見しました。

これは、IONP が洗浄プロセス中に活性細菌を除去できることも証明しており、歯科医が口腔の問題を診断するための証拠として役立ちます。

要約すると、IONP をキャリアとする歯ブラシ ロボットは、理論的には口腔洗浄と診断の機能を実現できますが、実際に人体内で機能するかどうかについては、まだ 1 つのことを証明する必要があります。

IONP は生物の口腔に損傷を与えますか?

この目的のために、研究チームは特別な生体適合性分析を実施し、IONPを使用して豚の顎の試験管モデルを治療しました。

実験結果によると、10分間の「歯磨き」後、豚の歯肉組織は損傷を受けず、IONPは細胞毒性を示さなかった。

つまり、 IONP をベースにした概念的な歯ブラシ マイクロロボットは、理論的には実用化できるということです。

研究チームは現在、歯磨きマイクロロボットの動作制御の最適化を継続しており、歯磨きマイクロロボットの使用敷居を下げるための口腔フィッティング装置の開発を検討している。

どう思いますか？この素晴らしい歯磨きマイクロロボットを 1 つ欲しいと思いませんか？

著者について

ペンシルバニア大学歯学部と工学・応用科学学部によるこの研究は、ACS Nano誌に掲載されました。

責任著者のエドワード・ステアーガー博士は、ペンシルバニア大学の上級研究員および博士研究員です。研究分野には、自動化とロボット工学、マイクロロボットメカトロニクスなどが含まれます。

共同責任著者の Hyun Koo 博士 (ペンシルバニア大学歯学部教授) は、細胞外マトリックス、バイオフィルム内の微小環境、EPS 生成およびマトリックスに埋め込まれた病原体との関係を研究しています。