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Forschungsprojekt Mikroroboter für gezielte Medikamentenverabreichung

| Autor: Julia Mutzbauer

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart haben einen Mikroroboter entwickelt, der in Größe, Form und Bewegungsfähigkeit einem weißen Blutkörperchen gleicht, um die gezielte Medikamentenabgabe weiter voranzubringen. Mithilfe kleiner Magnetspulen ist es den Forschern gelungen, den Mikroroller durch ein simuliertes Blutgefäß zu steuern.

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Der Mikroroboter ähnelt einem weißen Blutkörperchen
Der Mikroroboter ähnelt einem weißen Blutkörperchen
(© Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme)

„Unsere Vision ist es, die nächste Generation Transportmittel für die minimal-invasive, gezielte Medikamentenverabreichung zu kreieren – eines, das noch weiter ins Körperinnere dringen kann und dabei noch schwieriger zu erreichende Bereiche zugänglich macht“, erklärt Metin Sitti, Direktor der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS und Co-Autor der Publikation.

Dazu haben die Forscher ein Blutgefäß im Labor simuliert. Als Inspiration für den Mikroroboter dienten weiße Blutkörperchen, da sie die einzigen beweglichen Zellen innerhalb des Blutflusses sind. Auf ihrer Patrouille zu Orten, an denen Krankheitserreger eingedrungen sind, rollen sie an der Blutgefäßinnenwand entlang und dringen aus dieser heraus, wenn sie zum Beispiel an einer Wunde ankommen. Dass sie sich bewegen können, liegt vor allem an der wesentlich geringeren Fließgeschwindigkeit an den Gefäßinnenwänden.

Jeder Mikroroller hat einen Durchmesser von knapp acht Mikrometern und besteht aus winzigen Glaspartikeln. Eine Seite ist mit einer dünnen Nickel- und Goldschicht bedeckt, an der anderen haften Krebsmedikamente sowie spezielle Moleküle, die Krebszellen aufspüren können. „Mit Hilfe von Magnetfeldern können unsere Mikroroboter stromaufwärts durch ein simuliertes Blutgefäß navigieren, was aufgrund des starken Blutflusses und der dichten zellulären Umgebung eine Herausforderung darstellt“, erläutert Yunus Alapan, Post-Doc in der Abteilung für Physische Intelligenz und ebenfalls Co-Autor der Publikation.

„Wir haben es geschafft“

Alapan fügt hinzu: „Kein einziger Mikroroboter konnte einem solchen Strom bisher standhalten. Doch wir haben es geschafft. Darüber hinaus können unsere Roboter selbstständig für sie interessante Zellen, beispielsweise Krebszellen, erkennen. Das können sie, weil wir sie mit zellspezifischen Antikörpern beschichtet haben. Sie können die Wirkstoffmoleküle dann während der Fahrt freisetzen.“

Nach den Angaben des MPI-IS erreicht der Mikroroller eine Geschwindigkeit von bis zu 600 Mikrometern pro Sekunde. Das sind rund 76 Körperlängen pro Sekunde, was ihn zum schnellsten magnetischen Mikroroboter dieser Größe macht.

Im Labor erfolgreich

Dieser ist aber weit davon entfernt, im menschlichen Körper getestet zu werden. Denn nur im Labor gelang es den Wissenschaftlern, die Roboter mit Mikroskopen abzubilden und mit elektromagnetischen Spulen zu steuern. Ugur Bozuyuk, Doktorand in derselben Abteilung und Mitverfasser der Studie, weist darauf hin: „In Kliniken allerdings ist die Auflösung der derzeitigen Bildgebungsverfahren nicht hoch genug, um einzelne Mikroroboter im menschlichen Körper abbilden zu können.“

Zudem würde die Medikamenten-Fracht, die von einem einzelnen Mikroroboter transportiert werden kann, angesichts des Größenunterschieds zwischen einem Mikroroboter und Organgewebe nicht ausreichen, ergänzt Bozuyuk. Man müsste also mehrere Mikroroboter zusammen in einem Schwarm manipulieren können, um eine ausreichende Wirkung zu erzielen. „Aber davon sind wir noch weit entfernt, dies ist erst der Anfang“, so Bozuyuk.

In den vergangenen beiden Jahrzehnten habe sich das Forschungsgebiet dank bedeutender Fortschritte in Bezug auf Herstellungstechniken, verwendete Materialien, Steuerung und Bildgebung der Mikromaschinen sehr stark weiterentwickelt. Derzeitige Mikroroboter seien jedoch meist auf Gewebe beschränkt wie es beispielsweise in einem Auge vorkommt oder das relativ leicht zugänglich ist (zum Beispiel im Magen-Darm-Trakt) sowie auf langsam fließende Umgebungen.

Um Bereiche tief im Inneren des Körpers erreichen zu können, führt womöglich kein Weg am Blutkreislauf vorbei – trotz der widrigen Bedingungen. Die Wissenschaftler hoffen, mit ihrer bio-inspirierten Strategie eine neue Plattform für die kontrollierte Navigation von Mikrorobotern durch den Blutkreislauf zu schaffen. Dies könnte den Weg ebnen, damit Mikroroboter eines Tages zielgenau Wirkstoffe an Krankheitsherde abgeben können.

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 Julia Mutzbauer

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Redaktion, eGovernment Computing