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Reinigung von Zähnen

Mikroroboter zerstören Biofilme aus Bakterien

Wissenschaftler der Universität von Pennsylvania haben Mikroroboter entwickelt, die bisher kaum entfernbare Biofilme aus Bakterien effektiv bekämpfen können. Aufgrund des großen Potentials haben die Wissenschaftler weitere Forschungsgelder bekommen, die bei der Entwicklung klinischer Anwendungsmöglichkeiten helfen sollen. In Zukunft könnten die Roboter kleinste Zahnzwischenräume aber auch medizinische Geräte von Bakterien befreien.

Philadelphia (U.S.A.). Wissenschaftler der Universität von Pennsylvania in Philadelphia haben Mikroroboter entwickelt, die bei der Bekämpfung von Biofilmen helfen können. Biofilme sind Ansammlungen von Bakterien, die unter bestimmten Bedingungen mithilfe von klebrigen Absonderungen äußerst widerstandsfähige Strukturen bilden. Sie treten typischerweise in schwer zu erreichenden Zahnbereichen aber auch in medizinischen Geräten auf und können mit aktuell zur Verfügung stehenden Mitteln nicht dauerhaft entfernt werden. Problematisch ist dies, weil die Bakterien so Infektionsherde bilden, die Krankheiten verbreiten können und die Strukturen der teuren Geräte angreifen.

Ein Team aus Wissenschaftlern rund um Hyun Koo arbeitet aus diesem Grund an neuen Konzepten zur Bekämpfung von Bakterien beziehungsweise Biofilmen. Erfolgreich war unter anderem der Einsatz von eisenoxidhaltigen Nanopartikelen, deren katalytischer Prozess Wasserstoffperoxid innerhalb der Biofilme freisetzt und die Bakterien so abtötet. Grundsätzlich können Biofilme so zwar aufgelöst werden, wirklich effektiv ist diese Methode laut den Wissenschaftlern aber nicht.

Winzige Roboter

Während ihrer Forschung stellte die Gruppe rund um Koo aus dem Fachbereich Zahnmedizin fest, dass auch eine zweite unabhängig davon entstandene Gruppe aus dem Bereich Ingenieurwesen und Angewandte Wissenschaft mit Eisenoxid-Nanopartikeln arbeitet, um aus ihnen Mikroroboter herzustellen, die sich über Magnetfelder kontrollieren lassen. Eine Kombination der beiden Ansätze hat zur Entwicklung von zwei Robotern geführt, die zur Entfernung von Biofilmen dienen.

Eine Version der katalytischen antimikrobiellen Robotern (CARs) besteht aus einer flüssigen Suspension, die Nanopartikel aus Eisenoxid enthält, deren Bewegungen mithilfe von Magneten gesteuert werden können. Eine von einem Biofilm befallene Oberfläche kann mit dieser Suspension benetzt werden, um anschließend die Mikroroboter mit einem Magnet zu den verunreinigten Stellen zu führen. Die Bewegung der Nanopartikel sorgt dafür, dass die Schutzhülle des Biofilms mechanisch zerstört wird, woraufhin die freigesetzten freien Radikale die Bakterien töten. In einem Laborexperiment mit dem Bakterium Streptococcus mutans zeigte diese Methode große Erfolge. Im Vergleich zu allen bisherigen Methoden war die Effektivität unübertroffen, was dazu führte, dass auch nach langer Zeit kein neuer Biofilm auf der gereinigten Fläche entstand.

Reinigung von Zahnzwischenräumen

Die zweite Methode, die die Wissenschaftler in ihrem Artikel im Fachmagazin Science Robotics veröffentlicht haben, ist deutlich komplexer. Die Mikroroboter bestehen in diesem Fall ebenfalls aus Eisenoxid-Nanopartikel, die sich aber in einem Gehäuse aus weichem Polymermaterial befinden.

Die Gebilde können zum Beispiel bei der Reinigung feiner Röhren helfen, sie können aufgrund ihrer Größe aber auch Zahnbeläge in sonst kaum erreichbaren Teilen des menschlichen Gebisses beseitigen. Eine magnetische Fernsteuerung ermöglicht die Kontrolle der Roboter, die in eine Rotationsbewegung versetzt werden können und so wie eine mikroskopisch kleine Poliermaschine arbeiten. Die Wissenschaftler konnten so selbst die Bereiche zwischen Wurzelkanälen reinigen, in denen sich aufgrund ihrer schlechten Erreichbarkeit häufig Bakterienbeläge bilden.

Finanzielle Förderung der Universität

Aktuelle Reinigungsmethoden für Biofilme sind wie Koo erklärt unwirksam, „da nicht gleichzeitig die Schutzhülle entfernt, die Bakterien getötet und die Abbauprodukte physikalisch entfernt werden.“ Die in Philadelphia entwickelte Methode „erledigt alle Aufgaben und hinterlässt daher keinerlei Spuren von Biofilmen“, wie Koo die Ergebnisse der Studie zusammenfasst.

Aufgrund des großen Potentials erhält das Team von der Universität von Pennsylvania finanzielle Mittel, um die Mikroroboter soweit zu verbessern, dass eine klinische Anwendung möglich ist.

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