Зубная щетка выработала микрозаряды для борьбы с бактериями

Китайские исследователи разработали зубную щетку с пьезоэлектрическими щетинками, которые при механическом воздействии генерируют активные формы кислорода. В лабораторных экспериментах щетка помогла разрушить бактериальные биопленки, а в трехмесячном клиническом исследовании уменьшила зубной налет и воспаление десен. Результаты исследования опубликованы в Science Advances.

Зубной налет — это сложная биопленка, в которой микроорганизмы прикрепляются к поверхности зуба и друг к другу и формируют характерный только для ротовой полости внеклеточный матрикс. Обычная зубная щетка удаляет биопленки прежде всего механически: щетинки счищают скопления бактерий и матрикс с поверхности зубов. Однако после чистки часть микроорганизмов остается во рту и может вновь быстро сформировать биопленку. Поэтому исследователи ищут способы дополнить механическую очистку антибактериальным действием.

Китайские ученые и медики под руководством Сюэхуэя Чжана (Xuehui Zhang) и Сюляна Дэна (Xuliang Deng) из Пекинского Университета разработали зубную щетку, щетинки которой сделаны из поливинилиденфторида (PVDF) — полимера с пьезоэлектрическими свойствами. При механической деформации в таком материале возникает поляризация и разделение зарядов. Исследователи получили полимерные мононити методом экструзии расплава, а затем подвергли их термической обработке, чтобы сформировать структуру, необходимую для пьезоэлектрического эффекта.

Когда человек чистит зубы, щетинки изгибаются и деформируются. Возникающий на их поверхности заряд запускает пьезокаталитические реакции, в результате которых образуются активные формы кислорода — гидроксильные радикалы OH^* и супероксидные анион-радикалы O₂^*- . Эти соединения могут повреждать мембраны бактериальных клеток. Кроме того, по предположению авторов, поверхностный электрический потенциал материала может затруднять прикрепление бактерий к щетинкам самой щетки.

Сначала исследователи проверили действие щетки на бактериях-возбудителях кариеса Streptococcus mutans и бактериях Porphyromonas gingivalis, которые вызывают заболевания десен. В лабораторных экспериментах щетинки из PVDF уничтожали эти бактерии эффективнее, чем обычные нейлоновые. В отдельном опыте на модели биопленки, выращенной на поверхности бычьей эмали, щетка удалила более 99 процентов бактериального скопления.

Затем ученые провели рандомизированные контролируемые испытания с участием 115 человек. Добровольцев разделили на четыре группы: две получили щетки с PVDF-щетинками разной толщины, еще две — обычные нейлоновые щетки. В течение трех месяцев участники пользовались выданными им щетками вместе с пастой по своему выбору и приходили на осмотры. В группах с PVDF-щетками исследователи зарегистрировали выраженное уменьшение зубного налета, воспалений десен и кровоточивости по сравнению с группами, использовавшими нейлоновые щетки.

Исследователи также изучили состав микробного сообщества зубного налета. В образцах из групп с PVDF снизилась относительная численность нескольких видов бактерий, связанных с заболеваниями полости рта, в том числе рассмотренных выше S. mutans и P. gingivalis. При этом некоторые представители обычной микрофлоры, например Lactobacillus rhamnosus и Streptococcus salivarius, стали встречаться относительно чаще. Авторы предполагают, что патогенные бактерии в данном случае оказались более чувствительны к окислительному стрессу. Авторы в то же время подчеркивают, что анализ микробного состава проводили на небольшой подвыборке участников, а не на всех 115 добровольцах, поэтому этот аспект требует дальнейшего изучения.

В лабораторных тестах исследователи не обнаружили значимой токсичности материала для клеток десны, а имитация трех месяцев использования щетки не привела к увеличению шероховатости эмали. Однако авторы отмечают, что для оценки долгосрочной безопасности и эффективности нужны более продолжительные исследования. Кроме того, пока они сравнивали новую щетку только с обычными нейлоновыми, а не с электрическими или другими специализированными щетками, а также не рассматривали совместное действие щетки и пасты.

Ранее австралийские медики выяснили, что чистка зубов пациентами приводит к снижению частоты развития внутрибольничной пневмонии примерно на 60 процентов.