Diş hekimi ziyareti, hiçbirimizin koşa koşa gitmediği, genel olarak gün içinde zaman işgal eden ve bazen dişlerden plakları çıkarmak için mekanik aletlerle rahatsız edici kazıma işlemleri içeren sevimsiz bir mecburiyet.
Peki bir diş hekimi, bu rahatsız edici işlem için, daha sonradan dişlerimizi işgal etmeyeceğine güvenebileceğimiz minik robotlardan oluşan küçük çaplı bir orduyu, bu temizlik işlemi için görevlendirebilir mi?
Cevap evet gibi görünüyor…
Mikrorobot Ordusu
Pennsylvania Üniversitesi’nde mühendisler, diş hekimleri ve biyologlardan oluşan bir araştırma ekibi, mikroskobik bir robotik temizlik ekibi geliştirdi.
Bilim insanları biri yüzeylerde, diğeri ise kapalı alanlara çalışmak üzere geliştirilen 2 tür robotik sistemle; katalitik aktiviteye sahip robotların; koruyucu bir yapıya gömülmüş yapışkan bakteri bileşenlerini ve biyofilmleri yok ettiği gözlemlendi. Bu tür bir robotik biyofilm çıkarma sistemleri; su borularını ve kateterleri temiz tutmaktan, diş çürümesi riskini, endodontik enfeksiyonları ve implant kontaminasyonlarını azaltmaya kadar çok çeşitli potansiyel uygulamalarda değerli olabilir.
Hepimiz diş sağlığı konusunda uzun süredir daha etkili yeni çözümler bekliyoruz
Science Robotics’te yayınlanan çalışma, Diş Hekimliği Fakültesi’nden Hyun (Michel) Koo ve Mühendislik ve Uygulamalı Bilimler Fakültesi’nden Edward Steager tarafından yürütüldü.
Koo, “Bu gerçekten sinerjik ve çok disiplinli bir etkileşimdi” dedi ve ekledi: “Mikrobiyologların, klinik çalışmalarda yer alan bilim insanlarının ve mümkün olan en iyi mikrobiyal eradikasyon sistemini tasarlamak adına mühendislerin uzmanlığından yararlanıyoruz. Bu, şimdilerde antibiyotik sonrası bir döneme yaklaşırken, ilaca dirençli biyofilmlerle karşılaşan diğer biyomedikal alanlar için de çok önemlidir.”
Edward Steager, “Dişlerde meydana gelen biyofilmlerin tedavisi, hem hasta hem de hekim tarafından büyük miktarda el emeği gerektiriyor” diyor ve ekliyor: “Tedavi seçeneklerini iyileştirmenin yanı sıra bakım zorluğunu da azaltmayı umuyoruz.”
Nanoparçacıklar
Biyofilmler, bir diş gibi biyolojik yüzeylerde ya da bir eklemde otaya çıkabileceği gibi, su borularında, implantlar ve kateterler gibi nesneler üzerinde de ortaya çıkabilirler. Biyofilmlerin oluştuğu her yerde, bakterileri tutan yapışkan matris, antimikrobiyal maddelere karşı koruma sağladığından, çıkarılması oldukça güçtür.
Aslında Koo ve arkadaşları, önceki çalışmalarda çeşitli kutu dışı yöntemlerle biyofilm matrisini parçalama yolunda ilerlemişlerdi. Stratejilerden biri de, bakterileri öldüren ve biyofilmleri hedeflenen bir şekilde yok edebilen serbest radikalleri ortaya sürmek için hidrojen peroksiti aktive eden, katalitik olarak çalışan, demir — oksit içeren nanoparçacıkları kullanmaktı.
Ancak Penn Diş Sağlığı ekibi tesadüfen, Penn Mühendislikte Steager, Vijay Kumar ve Kathleen Stebe yürütücülüğünde bir grup mühendisin; mikrorobotlar için yapı taşları olarak çok benzer demir oksit nanoparçacıkları kullanan bir robot platformu üzerinde çalıştığını buldular.
Birlikte çalışan bu okullar arası ekip, grubun “katalitik antimikrobiyal robotlar” ya da kısaca CARs olarak adlandırdığı, biyofilmleri söküp parçalayan iki tür robotik sistem tasarladı, optimize etti ve testlerini gerçekleştirdi. Birinci sistem, demir — oksit nanoparçacıklarının bir çözelti içinde askıya alınmasını içeren bir prosesle başlar. Ardından bu nanoparçacıklar manyetik alan yardımıyla yönlendirilerek yüzeydeki biyofilmleri “saban benzeri” bir hareketiyle kazır.
İkinci yöntemde ise, nanoparçacıkların üç boyutlu şekillerde jel kalıplarına yerleştirilmesini gerektirir. Bunlar da, kapalı tüpleri tıkayan biyofilmleri hedeflemek ve yok etmek için kullanılmıştır.
Her iki CAR türünün de etkili bir şekilde bakterileri öldürdüğü gözlemlendi. Ayrıca onları çevreleyen matrisi parçaladı ve artıkları yüksek hassasiyetle temizledi. Robotlar, düz bir cam yüzeyde veya kapalı cam tüplerde büyüyen biyofilmler üzerinde test edildikten sonra, klinik olarak daha uygun bir uygulama için denendiler: Biyofilmin erişilmesi zor kısımlarından, mesela insan dişinden çıkarılması…
Klinik çalışmalardan ilk veriler
CAR’lar bakteriyel biyofilmleri sadece bir diş yüzeyinden değil, aynı zamanda dişin erişilmesi en zor kısımlarından biri olan; biyofilmlerin sıklıkla büyüdüğü kök kanallar arasında dar bir koridor olan “berzah”tan da temizlemeyi başardılar.
Koo, “Biyofilmler için var olan tedaviler etkisizdirler, çünkü koruyucu matrisi aynı anda bozup, gömülü bakterileri öldürürken, biyolojik olarak çözünmüş ürünleri de fiziksel olarak kaldırma yeteneğine sahip değillerdir” diyor. “Bu robotlar üçünü de aynı anda çok etkili bir şekilde yapabiliyorlar ve hiçbir biyofilm izi bırakmıyorlar.”
Koo parçalanan biyofilm artıklarının diş yüzeyinden kazınmasının da çok önemli olduğuna dikkat çekiyor. Çünkü bu kalıntılar biyofilmler için tekrar büyüme şansını artıran bir faktör. Bu nedenle mikrorobot ordusuyla temizlenen dişlerde tekrar biyofilm oluşumunun, geleneksel temizliğe oranla daha uzun süreceğini belirtiyor.
Dahası var
Araştırmacılar, çalışmalarıyla ilgili vizyonlarının; bu robotları, biyofilmleri çıkarmak için bir kateter, su hatta ya da ulaşılması zor diş yüzeylerinde gitmeleri gereken her yere tam anlamıyla yönlendirmek olduğunu söylüyorlar.
Gelecek hedefleri burada bitmiyor…
Steager, “Robotları, aktif olarak toplanan bilgilere dayanarak harekete geçen otomatik sistemler olarak düşünüyoruz” diyor. Bu durumda, “Robotun hareketi, mikro — camlardan veya diğer tıbbi görüntüleme sistemlerinden toplanan biyofilm görüntüleri ile yönlendirilebilir.”
Araştırma ekibi yeni teknolojilerini, klinik uygulamaya doğru ilerletmek için, Penn Perelman Tıp Okulu, Penn Mühendislik ve Araştırma için Provost Araştırma Ofisi tarafından desteklenen bir girişim olan Penn Sağlık, Cihazlar ve Teknoloji Merkezi’nden destek alıyor. Penn Health — Tech, bilindiği üzere, yeni sağlık teknolojileri yaratma desteğiyle disiplinlerarası grupları seçiyor.
Robotik Platformlar Projesi 2018’de destek alanlardan biriydi.
Penn Health — Tech’in genel müdürü Victoria Berenholz, “Takımın diş hekimliği tarafında harika bir klinik geçmişi ve mühendislik grubu da harika bir teknik geçmişe sahip” diyor. “Biz onları iş tarafında bir araya getirmeye geldik. Projede gerçekten harika bir iş çıkardılar.”
Çalışmanın orijinaline aşağıdaki bağlantıdan ulaşabilirsiniz.
S. Schuerle, A. P. Soleimany, T. Yeh, G. M. Anand, M. Häberli, H. E. Fleming, N. Mirkhani, F. Qiu, S. Hauert, X. Wang, B. J. Nelson and S. N. Bhatia. Synthetic and living micropropellers for convection-enhanced nanoparticle transport. Science Advances, 2019 DOI: 10.1126/sciadv.aav4803
