Kleinste Vehikel fŁr die Medizin

(Nanowerk News) Mikro- oder gar Nano-Roboter k√∂nnten im menschlichen Organismus k√ľnftig einmal medizinische Dienste verrichten. Diesem Ziel sind Forscher, unter anderem vom Max-Planck-Institut f√ľr Intelligente Systeme in Stuttgart, nun einige Schritte n√§her gekommen. Es ist ihnen n√§mlich gelungen, Schwimmk√∂rper zu konstruieren, die erstmals gleich zweierlei erf√ľllen: Sie w√§ren klein genug f√ľr einen Einsatz in K√∂rperfl√ľssigkeiten oder sogar in einzelnen K√∂rperzellen. Und sie sind so gebaut, dass sie sich in Fl√ľssigkeiten durch ihre eigene Bewegung selbstst√§ndig fortbewegen k√∂nnten.
1966 erschien der Film ‚ÄěDie phantastische Reise‚Äú. Ein U-Boot wird darin samt Personal so sehr verkleinert, dass es sich durch einen menschlichen K√∂rper bewegen und die Besatzung im Gehirn eine Operation durchf√ľhren kann. Bis heute ist das Sciencefiction, und der Transport eines OP-Teams zu einem Krankheitsherd wird es sicher auch bleiben. U-Boote, die sich durch den K√∂rper man√∂vrieren lassen, k√∂nnten dennoch von grossem Nutzen sein: Sie k√∂nnten einen pharmazeutischen Wirkstoff gezielt an einen bestimmten Punkt etwa in der Netzhaut bringen. Oder ein medizinisches Ger√§t punktgenau im Organismus platzieren. Und sie k√∂nnten es erm√∂glichen, eine Gentherapie gezielt an einer bestimmten Zelle vorzunehmen.
Mikroschwimmer in Muschelform
Mikroschwimmer in Muschelform: Nach dem Vorbild der Schalentiere hat ein Team um Stuttgarter Max-Planck-Forscher ein winziges U-Boot konstruiert, das rechts schematisch gezeigt ist. Mithilfe kleiner Magnete, die hier als rot-blaue Zylinder dargestellt sind, lassen sich die beiden H√§lften des Schwimmk√∂rpers √∂ffnen und schliessen. (Bild: Alejandro Posada/ MPI f√ľr Intelligente Systeme)
Wenn es nach Peer Fischer, Leiter der Arbeitsgruppe ‚ÄěMikro-, Nano- und Molekulare Systeme‚Äú am Max-Planck-Institut f√ľr Intelligente Systeme in Stuttgart, geht, k√∂nnen Mediziner in absehbarer Zukunft auf Mikro- oder sogar Nano-Roboter zur√ľckgreifen, um solche Aufgaben zu erf√ľllen. Die kleinen Helfer sollen die gew√ľnschten Ziele im K√∂rper akkurat ansteuern, ohne dass ein gr√∂sserer operativer Eingriff n√∂tig w√§re.
Im Wasser käme eine Mikromuschel mit symmetrischen Bewegungen nicht voran
Bei diesem Vorhaben gibt es allerdings zwei grundlegende Herausforderungen. Nat√ľrlich m√ľssen solche Vehikel ausreichend klein sein, um zum Beispiel per Spritze in den Augapfel injiziert werden zu k√∂nnen. Zum anderen m√ľssen sie sich, einmal in den K√∂rper gebracht, dort auch in der gew√ľnschten Weise und Richtung fortbewegen k√∂nnen. In beiderlei Hinsicht melden Forschergruppen um Peer Fischer nun Fortschritte.
Gemeinsam mit Forschern am Technion in Israel und an der TU Dortmund hat die Stuttgarter Gruppe in einer aktuellen Arbeit eine Art k√ľnstliche Muschel entwickelt, die nur wenige Hundert Mikrometer gross ist. Diese haben die Wissenschaftler so konstruiert, dass sie sich in Testfl√ľssigkeiten durch einfaches √Ėffnen und Schliessen der Muschelschalen fortbewegt. Das ist nicht so selbstverst√§ndlich, wie es zun√§chst klingt. ‚ÄěDie Muschel ist ja nur wenige Male gr√∂sser, als ein menschliches Haar dick ist‚Äú, erkl√§rt Fischer. ‚ÄěF√ľr die ist eine Fl√ľssigkeit wie Wasser also etwa so z√§h wie f√ľr uns Honig oder gar Teer.‚Äú Und bei so hoher Reibung in Fl√ľssigkeiten gilt eigentlich, dass symmetrische Bewegungen, wie eben das gleichf√∂rmige √Ėffnen und Schliessen einer Muschelschale, unter dem Strich kein Fortkommen bewirken. Das Vor und Zur√ľck durch die jeweils gegens√§tzlichen Bewegungen heben sich schlicht auf.
Mikromuschel
Die Mikromuschel schwimmt ‚Äď und das ist nicht selbstverst√§ndlich. In Fl√ľssigkeiten wie Wasser k√§me sie mit symmetrischen Bewegungen nicht vorw√§rts, in Medien, deren Viskosit√§t sich bei Bewegungen √§ndert, dagegen schon. In einer solchen haben die Stuttgarter Forscher sie getestet und sie dabei im Mikroskop beobachtet. (Bild: Tian Qiu/ MPI f√ľr Intelligente Systeme)
In Wasser w√§re die Mikromuschel aus diesem Grund in der Tat nicht vom Fleck gekommen. Doch weil die Forscher langfristig den Einsatz in biologischen Medien im Auge haben, testeten sie ihren Schwimmer direkt auch in daf√ľr geeigneten Modellfl√ľssigkeiten. Und die weisen im Gegensatz zu Wasser Besonderheiten auf. ‚ÄěDie meisten K√∂rperfl√ľssigkeiten haben die Eigenschaft, dass sich ihre Viskosit√§t je nach Bewegungsgeschwindigkeit √§ndert‚Äú, sagt Fischer. ‚ÄěIn Gelenkfl√ľssigkeit zum Beispiel ordnen sich Hyalurons√§ure-Molek√ľle im Ruhezustand zu netzwerkartigen Strukturen an, die f√ľr eine hohe Viskosit√§t sorgen. Doch sobald sich etwas durch diese Fl√ľssigkeit bewegt, bricht das Netzwerk auf ‚Äď und das Fluid wird d√ľnnfl√ľssiger.‚Äú
Eine magnetische Steuerung öffnet und schliesst die Muschel
Genau dieses Verhalten machten sich die Wissenschaftler bei ihrer Muschel zunutze. Konkret steuerten sie die Muschelschalen so, dass sie sich sehr viel schneller √∂ffnen als schliessen. ‚ÄěDieses zeitlich asymmetrische Bewegungsmuster f√ľhrt dazu, dass die Fl√ľssigkeit w√§hrend des √Ėffnens d√ľnnfl√ľssiger ist als beim anschliessenden Schliessen‚Äú, sagt Doktorand Tian Qiu vom Stuttgarter Team. Damit ist die Distanz, die die Muschel beim √Ėffnen zur√ľcklegt, auch eine andere als die, um die sie sich beim Schliessen wieder zur√ľckbewegt. Netto kommt sie also voran. Es sei das erste Mal √ľberhaupt, dass sich ein k√ľnstliches Gebilde dieser Gr√∂ssenordnung mit symmetrischen Bewegungszyklen in Fl√ľssigkeiten fortbewegte, so Tian Qiu.
Um ihren Mikroschwimmer √ľberhaupt derart kontrollieren zu k√∂nnen, arbeiteten sie in der Achse, die das Gelenk zwischen beiden Muschelschalen bildet, magnetische Seltenerdmetalle ein. √úber ein von aussen angelegtes Magnetfeld regulierten sie dann, wie sich die Muschelschalen √∂ffnen und schliessen ‚Äď letztlich also, wie sie sich fortbewegen. Die Erkenntnis der Stuttgarter Forscher, dass mikroskopische Vehikel durch manche Fl√ľssigkeiten auch mit symmetrischen Bewegungen schwimmen, gilt aber nicht nur f√ľr magnetisch angetriebene Tauchfahrzeuge. Vielmehr l√§sst sich ein Miniatur-U-Boot in Muschelform auch durch andere Aktuatoren bewegen, etwa einen, der auf eine Temperaturver√§nderung reagiert.
Die eigentliche Muschel bestand aus einem relativ harten Kunststoff. Hier lag die besondere Herausforderung darin, die Muschelschalen einerseits extrem d√ľnn und andererseits robust genug f√ľr die ‚ÄěRuderbewegungen‚Äú in einem vergleichsweise z√§hen Medium zu gestalten.
Die Wissenschaftler, die ihre Arbeit nun in Nature Communications ("Swimming by reciprocal motion at low Reynolds number") vorstellten, wollen ihre Mikroschwimmer nun in konkreten biologischen Fl√ľssigkeiten testen. ‚ÄěUns interessiert im n√§chsten Schritt zum Beispiel, ob wir diesen Roboter auch durch eine extrazellul√§re Matrix, also durch ein Gewebe, steuern k√∂nnen‚Äú, so Peer Fischer.
Eine Nanoschraube wirkt wie ein Propeller
F√ľr die Stuttgarter Gruppe um Peer Fischer war es schon der zweite Miniatur-Roboter, den sie innerhalb kurzer Zeit der Fachwelt vorstellten. Bereits in der September-Ausgabe von ACS Nano ("Nanopropellers and Their Actuation in Complex Viscoelastic Media") hatten sie gemeinsam mit Kollegen aus Israel ein sogar noch deutlich kleineres Vehikel pr√§sentiert. Dabei handelt es sich um eine gl√§serne korkenzieher√§hnliche Schraube. Solche schraubenartigen Strukturen gibt es schon l√§nger. Allerdings war ihre Herstellung bis vor kurzem auf Gr√∂ssenordnungen im Bereich von zehn und mehr Mikrometern begrenzt. Jetzt war es den Forschern aus Stuttgart zum ersten Mal gelungen, einen entsprechenden Propeller mit einem Durchmesser um die 100 Nanometer, also einem Zehntel Mikrometer herzustellen. In der L√§nge misst der Miniatur-Schwimmer 400 Nanometer. Bei der Fabrikation ihres Nanopropellers nutzten die Wissenschaftler eine Technik, die sie selbst entwickelt haben. Dabei dampfen sie das Silicat-Material Schicht f√ľr Schicht in geometrisch definierter Weise auf.
Nano-U-Boot mit Propellerantrieb
Nano-U-Boot mit Propellerantrieb: Solch eine winzige Schraube versehen die Stuttgarter Forscher mit Magneten und versetzen sie durch ein Magnetfeld in Drehung, sodass sie sich durch eine Fl√ľssigkeit schraubt. (Bild: Debora Schamel/MPI f√ľr Intelligente Systeme)
Um den kleinen Roboter antreiben zu k√∂nnen, versahen die Wissenschaftler ihn stellenweise mit magnetischem Nickel. Legten sie dann ein Magnetfeld an und liessen es um eine bestimmte Achse rotieren, versetzen sie auch die nickelhaltige Nanoschraube in Rotation. Und damit genau in die Bewegung, mit der sich der Propeller in einer Fl√ľssigkeit voranbewegen kann.
Wie bei ihrer Mikromuschel aus Kunststoff, so zielen die Visionen der Forscher auch bei ihrem gl√§sernen ‚ÄěNano-U-Boot‚Äú auf medizinische Anwendungen. Als Testmedium w√§hlten sie daher ebenfalls Hyalurons√§ure. ‚ÄěDabei handelt es sich um ein Polysaccharid, dessen Molek√ľle im Verbund gelartige und damit hochviskose Strukturen bilden‚Äú, erkl√§rt die Mitautorin Debora Schamel, die am Stuttgarter Max-Planck-Institut promoviert. Im menschlichen Organismus kommt es nicht nur in Gelenkfl√ľssigkeit, sondern etwa auch in vielen Bindegeweben vor.
Bisherige k√ľnstliche Gebilde waren noch zu gross, um das eng geflochtene Netzwerk der Hyaluronan-Molek√ľle zu durchdringen. Debora Schamel freut sich daher √ľber den Fortschritt ihres Teams: ‚ÄěErstmals haben wir jetzt einen Nano-Roboter, der klein genug ist, um auch durch diese engen Maschen zu schwimmen.‚Äú Das winzige U-Boot k√∂nnte aber auch in anderen Medien als Gelenkfl√ľssigkeit zum Einsatz kommen. Weitere Fl√ľssigkeiten, in denen solche Nanovehikel zum Beispiel Wirkstoffe transportieren k√∂nnten, seien der Glask√∂rper im Auge, Schleimh√§ute ‚Äď oder auch Blut. ‚ÄěTheoretisch ist bei der Gr√∂sse unserer Konstruktion sogar eine Verwendung innerhalb von Zellen denkbar‚Äú, so Fischer vorsichtig. Dazu freilich m√ľsste noch ein Weg gefunden werden, die Nano-U-Boote auch in die Zellen einzuschleusen.
Bis √§hnliche Therapien, wie sie ‚ÄěDie phantastische Reise‚Äú von 1966 schildert, Wirklichkeit werden, bleibt also noch einiges zu tun.
Source: Max-Planck-Institut f√ľr Intelligente Systeme
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