[スポンサーリンク]

ケムステニュース

歯のバイオフィルム除去と病原体検出を狙ったマイクロロボットの開発

[スポンサーリンク]

口内を健康に保つには毎日のケアが重要で、特に歯磨きは欠かさず行う必要があります。ペンシルバニア大学の研究チームが、歯磨きや歯間掃除を自動化するためのマイクロロボットを開発したと発表しました。 (引用:Gaigazine7月8日)

朝晩、人によっては食事毎に歯磨きを行いますが、これを怠ると虫歯になることもあります。そんな毎日のルーティンワークを変えるかもしれない研究成果がACS Nanoに発表されました。

まず研究の背景から論文の内容を見ていきますが、バイオフィルムは様々な表面に付着することができ、人の健康に影響を与え感染症の原因にもなるものです。バイオフィルムをサンプリングすることができれば効果的な処置をすることができると考えられますが、多様な病原体が不均一に分布しているため、難しい課題でした。そこで本研究では粘着性のバイオフィルムを取り除き、病原体をサンプリングする酸化鉄のナノ粒子(IONP)を使ったマイクロロボティクスシステムの開発を行いました。

IONPは磁力によって場所をコントロールしながら過酸化水素に触媒作用を示して抗菌効果を出せるため、バイオフィルムの処置では使用例があります。しかしながら複雑な形状の場所には使えず、またバイオフィルムを回収することは達成されていませんでした。そこで、本研究ではIONPを磁力によって組み立て、再構成して作動するような機構を開発しました。

AB:IONPの磁力によって形を変える方法と歯への対応 C:実験装置図 D:酸化鉄の触媒作用 E:歯のバイオフィルムと取り除く様子 F:目指したIONPの自動ブラッシングプログラム(出典:原著論文

まずIONPの合成方法ですが、酸化鉄をエチレングリコールに溶かし撹拌中の溶液に酢酸ナトリウムを加えます。その混合物をオートクレーブで12時間加熱し室温に戻した後、IONPの沈殿物を回収しエタノールで洗浄、60℃で3時間乾燥させました。次にこの研究の要であるIONPの形を表面の形状に応じて変える方法ですが対となる電磁石を使用し、電磁石の位置と磁力をコントロールすることでブラシ状のIONPの形を数秒で変化できることを行いました。これによりバイオフィルムを破壊するだけでなくバクテリアを殺したり、診断のために回収することもでき、それが歯のような複雑な形状に対しても可能だと主張しています。

論文中では、この表面の形に合わせてIONPの形を変えることをSTARS(surface topography-adaptive robotic superstructures)と呼び、電磁石の位置や強さ、IONPの濃度を変えてブラシが自由自在に変化し、歯間のような奥まったところにもアクセスできるように条件の最適化を行いました。

A: 電磁石の場所による磁力の変化とIONPの濃度の違いによるブラシ形状の違い B:電磁石の移動速度を変えた時のブラシのタイムラプス画像 CD:IONPの濃度と電磁石の移動速度、磁力を変えた時のブラシの長さ E-H:ブラシに平版や凹凸パターンがある壁を当てた時のSTARSの挙動(出典:原著論文

さらにブラシの機械強度を調査しました。具体的にはジメチルポリシロキサンのカンチレバーを作り、そこにIONPのブラシ当ててカンチレバーのたわみを計測しました。また、歯間のような奥まった所に対してもブラシがせん断力があるか、壁に囲まれた所にカンチレバーを作りたわみを測定しました。得られた結果に対して本文中では、IONPの”剛性の勾配”が強い凝集を生み出し重力や水平方向への伸びに対しても耐え、表面の形状に対応しながらもバイオフィルムを取り除く十分なせん断力を示していると結論付けています。

AD:実験方法 BE:ブラシがカンチレバーに触れた時の様子 BCEF: 磁力やブラシの長さを変えた時の機械強度の変化(出典:原著論文

次にバイオフィルムを使った実験を行いました。具体的にはストレプトコッカス・ミュータンスという取り除くのが難しいバイオフィルムを形成する口腔病原体を、歯を模した板で培養し評価環境を作りました。まずIONPでの処理で蛍光標識されたバイオフィルムが物理的に取り除かれているのか調べたところ、処理をした部分は蛍光が消え、きれいに除去されたことが確認されました。次にIONPの触媒活性を調べるために、活性酸素と反応して可視光を吸収する化合物を生成する3,3′,5,5′-tetramethylbenzidine (TMB)を過酸化水素と共に加えました。するとIONPのブラシの周りが即座に色が変わり、STARSでも触媒活性を示し表面のバクテリアを殺す能力があることを確認しました。

A:実験装置 B:ブラッシング前後の表面の蛍光画像 C-F:過酸化水素の効果 GH:条件を変えた時のバイオフィルム除去効率の違い I-K:ブラシに取り込まれたバイオフィルムのコンポーネント(出典:原著論文

さらにバイオフィルムの殺菌能力を確認したところ、STARSによって取り除いたバイオフィルムからは、生存している細胞は確認されず、IONPによって物理的にバイオフィルムを除去しながら活性酸素を発生させて殺菌していることが分かりました。バイオフィルムを除去する能力を条件ごとに調べたところ、磁力やIONPの濃度が高いほど効率は高くなり、上記の結果と同様の傾向となりました。特徴的な事は、バイオフィルムの除去において機械的な摩擦によってIONPが主のブラシから脱離しても、再形成されて表面を磨くように働くことです。そして脱離したIONPは磁力によって再回収されます。

繰り返しの使用についても実験が行われ、わずかに触媒活性が低下するのみでバイオフィルムの除去能力と殺菌能力は安定していることが分かりました。興味深いことにバイオフィルムを構成する細胞と多糖がブラシに吸着することがIONPのSEM画像から確認され、バイオハイブリッド複合体をSTARSで回収できることが分かりました。

より人間の歯の構造に近い環境でSTARSの評価を行うため、3Dプリンターで人口の歯を製作して実験を行ったところ、IONPが歯間に入り込むことができ、STARSの適応性が確認されました。

A:人口の歯の製作手順 B-E:STARSの人口の歯への挙動(出典:原著論文

最後にSTARSで歯磨きを模した動きを行ったところ、複数の動きを組み合わせることで歯をきれいにすることができました。さらに、IONPからバイオフィルムを構成する細菌を回収することに成功しました。これによりSTARSによって病気の原因となるバイオフィルムをサンプリングすることができ、局在化している病原体や毒性のある生体物質の検出への応用可能性が考えられます。さらに自律的かつ遠隔操作でバイオフィルム除去とデータ収集を組み合わせた診断や治療も、STARSで可能になるかもしれないとコメントされています。

AB:ブラッシングの結果 CD:バイオフィルムの回収結果

材料の検討については議論が少なく、IONPの粒径によってバイオフィルムの除去のパフォーマンスが変わるのか気になるところです。また実験データを見る限り歯の磨きレベルは高いように見えますが、過酸化水素で殺菌するには毒性の問題があり、口の中での殺菌には別の方法が必要かもしれません。殺菌なしでも家庭で顔面に磁力を当てることは難しく、歯科医院などで初診や定期検査でバイオフィルムを取り除いて病原体などを調べるのが現実的かと考えられます。バイオフィルムが問題になるのは口の中だけでなく、排水口ではぬめりや悪臭、海水と接触する金属においては腐食などの原因になっており、この技術がバイオフィルム除去の遠隔清掃に応用できるかもしれません。化学に関連する部分は少ないものの、データや画像が多く楽しみながら読み進めることができる論文でした。

関連書籍

[amazonjs asin=”4263445880″ locale=”JP” title=”デンタルプラークのすべて 歯科疾患の予防と治療はバイオフィルムとの戦い”] [amazonjs asin=”4781315739″ locale=”JP” title=”食品分野における微生物制御技術の最前線《普及版》 (食品シリーズ)”]

歯に関するケムステ過去記事

Avatar photo

Zeolinite

投稿者の記事一覧

ただの会社員です。某企業で化学製品の商品開発に携わっています。社内でのデータサイエンスの普及とDX促進が個人的な野望です。

関連記事

  1. 第12回化学遺産認定~新たに3件を認定しました~
  2. スイス・ロシュの1―6月期、純利益4%増
  3. 冬のナノテク関連展示会&国際学会情報
  4. 米ファイザーの第2・四半期は特別利益で純利益が増加、売上高は+1…
  5. ソウル大教授Nature Materials論文捏造か?
  6. ヘリウム不足再び?
  7. 青色発光ダイオードの赤﨑勇氏らに京都賞
  8. ゴム状硫黄は何色?

注目情報

ピックアップ記事

  1. アメリカで Ph.D. を取る -Visiting Weekend 参加報告 (後編)-
  2. 単一細胞レベルで集団を解析
  3. アジサイの青色色素錯体をガク片の中に直接検出!
  4. 三共、第一製薬が統合へ 売上高9000億円規模
  5. 有機合成化学協会誌2020年5月号:特集号 ニューモダリティ;有機合成化学の新しい可能性
  6. ショッテン・バウマン反応 Schotten-Baumann Reaction
  7. 有機合成化学協会誌2020年3月号:電子欠損性ホウ素化合物・不斉Diels-Alder反応・ホヤの精子活性化誘引物質・選択的グリコシル化反応・固定化二元金属ナノ粒子触媒・連続フロー反応
  8. ピレスロイド系殺虫剤のはなし~追加トピック~
  9. 光触媒で空気中に浮遊する”新型コロナウイルス”の感染性を消失させることに成功
  10. 金大発『新薬』世界デビュー

関連商品

ケムステYoutube

ケムステSlack

月別アーカイブ

2022年7月
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728293031

注目情報

最新記事

3つのラジカルを自由自在!アルケンのアリール–アルキル化反応

アルケンの位置選択的なアリール–アルキル化反応が報告された。ラジカルソーティングを用いた三種類のラジ…

【日産化学 26卒/Zoomウェビナー配信!】START your ChemiSTORY あなたの化学をさがす 研究職限定 キャリアマッチングLIVE

3日間で10領域の研究職社員がプレゼンテーション!日産化学の全研究領域を公開する、研…

ミトコンドリア内タンパク質を分解する標的タンパク質分解技術「mitoTPD」の開発

第 631 回のスポットライトリサーチは、東北大学大学院 生命科学研究科 修士課程2…

永木愛一郎 Aiichiro Nagaki

永木愛一郎(1973年1月23日-)は、日本の化学者である。現在北海道大学大学院理学研究院化学部…

11/16(土)Zoom開催 【10:30~博士課程×女性のキャリア】 【14:00~富士フイルム・レゾナック 女子学生のためのセミナー】

化学系の就職活動を支援する『化学系学生のための就活』からのご案内です。11/16…

KISTEC教育講座『中間水コンセプトによるバイオ・医療材料開発』 ~水・生体環境下で優れた機能を発揮させるための材料・表面・デバイス設計~

 開講期間 令和6年12月10日(火)、11日(水)詳細・お申し込みはこちら2 コースの…

【太陽ホールディングス】新卒採用情報(2026卒)

■■求める人物像■■「大きな志と好奇心を持ちまだ見ぬ価値造像のために前進できる人…

産総研の研究室見学に行ってきました!~採用情報や研究の現場について~

こんにちは,熊葛です.先日,産総研 生命工学領域の開催する研究室見学に行ってきました!本記事では,産…

第47回ケムステVシンポ「マイクロフローケミストリー」を開催します!

第47回ケムステVシンポジウムの開催告知をさせて頂きます!第47回ケムステVシンポジウムは、…

【味の素ファインテクノ】新卒採用情報(2026卒)

当社は入社時研修を経て、先輩指導のもと、実践(※)の場でご活躍いただきます。「いきなり実践で…

実験器具・用品を試してみたシリーズ

スポットライトリサーチムービー

PAGE TOP