Обычная зубная щетка удаляет налет преимущественно механическим способом: щетинки разрушают бактериальную пленку и очищают поверхность зубов от остатков пищи. Но что, если заставить их не просто счищать бактерии, а самостоятельно вырабатывать электрический заряд, запускающий химические реакции против вредных микроорганизмов?
Именно такую технологию представили исследователи из Китая. Они разработали экспериментальную зубную щетку, щетинки которой способны генерировать электричество без аккумулятора и запускать антибактериальные процессы непосредственно во время чистки зубов. Первые испытания показали многообещающие результаты: новая конструкция значительно эффективнее обычной нейлоновой щетки подавляла некоторые виды бактерий и разрушала зубной налет.
Как работает самозаряжающаяся зубная щетка?
Главная особенность разработки — использование пьезоэлектрических волокон из поливинилиденфторида (PVDF). Это специальный полимер, обладающий пьезоэлектрическими свойствами: при механической деформации он способен генерировать электрический заряд.
Проще говоря, материал превращает механическое воздействие в электричество. Когда человек чистит зубы, щетинки сгибаются и испытывают давление. В результате возникает электрический потенциал, который исследователи используют для запуска химических реакций с антибактериальным эффектом.
В ходе этих реакций образуются активные формы кислорода — химически активные соединения, способные повреждать бактериальные клетки и препятствовать их жизнедеятельности.
Важное преимущество такого подхода заключается в том, что щетке не требуется отдельный источник питания. Электрический заряд возникает непосредственно во время чистки благодаря движению щетинок.
Почему обычной чистки зубов недостаточно?
Основная проблема заключается в том, что бактерии, обитающие в полости рта, умеют создавать своеобразную защитную оболочку. Она называется биопленкой.
Биопленка представляет собой плотную структуру из микроорганизмов и выделяемых ими веществ, которая прочно закрепляется на поверхности зубов. Внутри нее бактерии получают дополнительную защиту от внешних воздействий, поэтому избавиться от них не так просто.
Некоторые микроорганизмы, в частности Streptococcus mutans, участвуют в образовании кислот, разрушающих зубную эмаль и способствующих развитию кариеса. Другие, например Porphyromonas gingivalis, связаны с воспалительными заболеваниями десен.
Обычная зубная щетка механически разрушает биопленку, удаляя часть бактерий и остатки пищи. Однако микроорганизмы довольно быстро восстанавливают свою колонию.
Ранее ученые уже пытались усовершенствовать процесс чистки зубов. Например, существуют электрические щетки, генерирующие ионы, которые должны способствовать уменьшению зубного налета. Другой подход предполагает добавление антибактериальных веществ непосредственно в материал щетинок.
Однако у этих решений есть недостатки: одним необходим источник питания, а эффективность других может снижаться со временем из-за нестабильности используемых компонентов.
Новая разработка объединяет механическую очистку и локальное химическое воздействие, причем дополнительная электроника и аккумулятор для этого не нужны.
Результаты первых испытаний: уничтожение до 78% бактерий
Исследователи проверили эффективность нового материала в лабораторных условиях, используя пьезоэлектрические волокна PVDF двух разных диаметров.
Результаты оказались весьма впечатляющими. В зависимости от характеристик волокон количество двух исследуемых видов бактерий — Streptococcus mutans и Porphyromonas gingivalis — уменьшилось на 45–78%.
Для сравнения: при использовании обычных нейлоновых щетинок снижение численности этих микроорганизмов составило менее 10%.
Еще один эксперимент проводился с использованием зубов крупного рогатого скота. В ходе испытаний новая технология продемонстрировала эффективность удаления биопленки более 99%.
Однако лабораторные результаты — только первый этап. Чтобы выяснить, насколько хорошо технология работает в реальных условиях, ученые провели дополнительные исследования с участием людей.
Испытания с участием добровольцев
Клиническая часть исследования продолжалась три месяца. В ней приняли участие более 100 добровольцев, которым дали одинаковые рекомендации по чистке зубов.
Ученые использовали генетическое секвенирование, чтобы отслеживать изменения в составе микробиома полости рта — совокупности микроорганизмов, обитающих в нем.
По итогам анализа данных 115 участников исследователи обнаружили уменьшение относительной численности нескольких потенциально опасных видов бактерий. Кроме того, у пользователей экспериментальных щеток наблюдались улучшения показателей, связанных с количеством зубного налета и состоянием десен, по сравнению с традиционной чисткой.
Это важный результат: технология продемонстрировала потенциальную эффективность не только в лаборатории, но и при использовании людьми.
Тем не менее ученые призывают не делать преждевременных выводов. Уменьшение доли вредных бактерий в микробиоме еще не означает, что общее количество микроорганизмов обязательно сократилось. Кроме того, улучшение состояния десен и уменьшение налета пока не доказывают, что новая щетка способна предотвращать кариес или пародонтит в долгосрочной перспективе.
Для ответа на эти вопросы потребуются более продолжительные исследования.
Что ждет технологию в будущем?
Разработка представляет интерес прежде всего благодаря сочетанию двух механизмов воздействия: механического удаления зубного налета и химического подавления бактерий.
При этом отсутствие аккумулятора делает конструкцию потенциально более простой и избавляет от необходимости регулярно заряжать устройство.
Если дальнейшие испытания подтвердят безопасность и эффективность технологии, пьезоэлектрические щетинки могут стать основой нового поколения средств гигиены полости рта.
Исследование опубликовано в научном журнале Science Advances.
Пока говорить о скором появлении таких щеток в магазинах преждевременно. Но сама идея выглядит перспективно: возможно, в будущем обычная чистка зубов превратится в гораздо более эффективную процедуру, при которой щетинки будут не только удалять налет, но и самостоятельно бороться с бактериями.
