Max-Planck-Institut für intelligente Systeme

Nanoroboter steuern erstmals durchs Auge

| Redakteur: Kathrin Schäfer

Mit einer kleinen Nadel haben die Forscher Zehntausende ihrer schraubenförmigen Roboter in den Glaskörper des Auges injiziert. Mit Hilfe umliegender Magnetspulen, die die Nanopropeller drehen und damit nach vorne projizieren, schwammen sie dann zielgerichtet zur Netzhaut, wo der Schwarm landete.
Mit einer kleinen Nadel haben die Forscher Zehntausende ihrer schraubenförmigen Roboter in den Glaskörper des Auges injiziert. Mit Hilfe umliegender Magnetspulen, die die Nanopropeller drehen und damit nach vorne projizieren, schwammen sie dann zielgerichtet zur Netzhaut, wo der Schwarm landete. (Bild: MPI-IS)

Max-Planck-Wissenschaftler entwickeln beschichtete Nanopropeller, die von außen durch dichtes Gewebe wie den Glaskörper eines Auges gesteuert werden können. Eines Tages sollen sie Medikamente dorthin transportieren, wo sie gebraucht werden – ohne einen größeren operativen Eingriff vornehmen zu müssen.

Wissenschaftler der Forschungsgruppe „Mikro-, Nano- und Molekulare Systeme“ am Max-Planck-Institut für intelligente Systeme in Stuttgart haben gemeinsam mit einem internationalen Forscherteam propellerförmige Nanoroboter entwickelt, die erstmals in der Lage sind, dichtes Gewebe wie es im Auge vorkommt, zu durchbohren. Sie trugen eine Antihaftbeschichtung auf die 500 nm breiten Propeller auf – exakt so klein, dass sie durch die enge molekulare Matrix der gelartigen Substanz im Glaskörper des Auges durchschlüpfen können. 500 nm bedeutet, dass die Nanofahrzeuge 200 Mal kleiner sind als der Durchmesser eines menschlichen Haares; sogar kleiner als ein Bakterium breit ist.

Ihre schraubenartige Struktur, Größe und glitschige Beschichtung ermöglichen es den Nanopropellern, sich relativ ungehindert durch ein Auge zu bewegen, ohne dabei das empfindliche Gewebe um sie herum zu beschädigen – das erste Mal, dass dies Forschern gelang. Bisher war dies nämlich nur in Modellsystemen oder biologischen Flüssigkeiten möglich. Die Forscher sind damit dem Ziel einige Schritte nähergekommen, Nanoroboter eines Tages als Transportmittel zu nutzen, die Medikamente oder andere Therapeutika genau dorthin bringen können, wo sie gebraucht werden – ohne, dass ein größerer operativer Eingriff nötig wäre.

Es ist alles andere als leicht, Nanoroboter durch dichtes Gewebe zu steuern

Einen Nanoroboter durch dichtes Gewebe zu steuern, ist eine große Herausforderung. Zunächst wäre da die zähflüssige Konsistenz des Augapfelinneren, die enge molekulare Matrix, durch die die Nanopropeller hindurchschlüpfen können sollen. Sie wirkt wie eine Barriere und verhindert das Eindringen größerer Strukturen, die breiter sind als 500 nm. Doch auch wenn die Nanopropeller passgenau wären, die chemischen Eigenschaften der Matrix würden dazu führen, dass der Nanopropeller in dem Netz aus Molekülen stecken bleibt. Wie ein winziger Korkenzieher, der in einem Geflecht aus doppelseitigem Klebeband festhängt. Und außerdem muss der Nanoroboter ja irgendwie gesteuert werden.

Die Steuerung funktioniert magnetisch. Die Forscher bauen den Nanopropellern Eisenpartikel ein, die es ihnen ermöglichen, die Gefährte von außen mit Hilfe von umliegenden Magnetfeldern zum gewünschten Ziel zu steuern. Die beiden anderen Herausforderungen überwinden die Forscher, indem sie die Nanopropeller nicht größer als 500 nm breit bauen, sowie eine zweilagige Antihaftbeschichtung auftragen. Die erste Schicht besteht aus Molekülen, die an die Oberfläche andocken, während die zweite eine Beschichtung mit flüssigem Fluorkohlenstoff ist. Diese Flüssigkeit glättet alle Risse, Ecken und Kanten. Dadurch verringert sich die Haftung zwischen den Nanorobotern und dem umliegenden Gewebe drastisch.

Bei der Beschichtung stand die fleischfressende Krugpflanze Pate

„Bei der Beschichtung haben wir uns von der Natur inspirieren lassen", erklärt der Erstautor der Studie, Zhiguang Wu. „Wir trugen als zweite Lage eine flüssige Schicht auf, wie sie bei der fleischfressenden Krugpflanze vorkommt. Auf ihren Blättern, die als Fallgruben dienen, sorgt eine rutschige Oberfläche dafür, dass Insekten ausrutschen und hineinfallen. Wie die Teflonbeschichtung einer Bratpfanne. Ohne diese Schicht könnten wir den Roboter nicht durchs Auge steuern. Sie sorgt dafür, dass die Haftung zwischen dem Netz aus Molekülen im Glaskörper des Auges und der Oberfläche unserer Nanoroboter möglichst klein bleibt."

„Der magnetische Antrieb der Nanoroboters, ihre ausreichend kleine Größe sowie die rutschige Beschichtung werden nicht nur im Auge, sondern eines Tages auch für die Penetration anderer Gewebe im menschlichen Körper nützlich sein", sagt Tian Qiu, einer der Mit-Autoren der Publikation.

Buchtipp „Bionik“ Das Fachbuch „Bionik in der Strukturoptimierung“ bietet Professionals einen Einstieg in die bionische Strukturoptimierung und vermittelt praktische Hilfestellungen, wie auch mit einfachen Mitteln Optimierungen vorgenommen werden können, die zu kraftflussgerechten Bauteilen und damit zu Leichtbaustrukturen führen. Vorgestellt werden sowohl kommerzielle Programme als auch robuste Vorgehensweisen, die direkt angewandt und eingesetzt werden können. „Bionik in der Strukturoptimierung“ kann hier versandkostenfrei oder als eBook bestellt werden.

Sowohl Qiu als auch Wu sind Mitglieder eines internationalen Forscherteams, das an der Publikation mit dem Titel „Ein Schwarm rutschiger Mikropropeller dringt in den Glaskörper des Auges ein“ gearbeitet hat. Auch Wissenschaftler der Universität Stuttgart, des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung in Heidelberg, des Harbin Institute of Technology in China, der Aarhus University in Dänemark sowie der Augenklinik des Universitätsklinikums Tübingen haben zu der bahnbrechenden Forschungsarbeit beigetragen. Es war in der Augenklinik in Tübingen, wo die Forscher ihre Nanopropeller an einem sezierten Schweineauge testeten. Sie beobachteten die Fortbewegung der Propeller mit Hilfe der optischen Kohärenztomographie, einer klinisch zugelassenen Bildgebungstechnik, die in der Diagnostik von Augenerkrankungen weit verbreitet ist.

Nanoroboter schwimmen zielgerichtet zur Netzhaut

Mit einer kleinen Nadel injizierten die Forscher Zehntausende ihrer schraubenförmigen Roboter in den Glaskörper des Auges. Mit Hilfe umliegender Magnetspulen, die die Nanopropeller drehen und damit nach vorne projizieren, schwammen sie dann zielgerichtet zur Netzhaut, wo der Schwarm landete.

Es war das Ziel der Forscher, den Schwarm in Echtzeit präzise in Richtung der Retina steuern zu können. Sie haben es geschafft, doch das ist erst der Anfang: Das Team arbeitet bereits daran, die Nanofahrzeuge eines Tages als Transportmittel für Medikamente einzusetzen. „Das ist unsere Vision“, sagt Tian Qiu. „Wir wollen unsere Nanopropeller als Werkzeuge für die minimal-invasive Behandlung von Krankheiten aller Art einsetzen können, bei denen der Problembereich schwer zugänglich und von dichtem Gewebe umgeben ist. Nicht allzu weit in der Zukunft werden wir sie mit Medikamenten beladen können.“

Für die Stuttgarter Wissenschaftler ist es nicht der erste Nanoroboter, den sie der Fachwelt vorstellen. Schon seit mehreren Jahren fertigen sie verschiedene Ausführungen mit Hilfe eines ausgeklügelten 3D-Fabrikationsprozesses an, den die „Mikro-, Nano- und Molekulare Systeme“ Forschungsgruppe unter der Leitung von Professor Peer Fischer selbst entwickelt hat. Milliarden von Nanorobotern können in nur wenigen Stunden hergestellt werden, indem Siliziumdioxid und andere Materialien, einschließlich Eisen, unter hohem Vakuum auf einen Siliziumwafer verdampfen und sich dieser dabei dreht. So entsteht die Helix-Struktur.

Dieser Beitrag stammt von unserem Partnerportal Devicemed.

Kommentar zu diesem Artikel abgeben

Schreiben Sie uns hier Ihre Meinung ...
(nicht registrierter User)

Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
Kommentar abschicken
copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Infos finden Sie unter www.mycontentfactory.de (ID: 45706115 / Medizintechnik)