Aus dem 3D-Drucker 07.11.2014, 07:02 Uhr

Mikroroboter in Muschelform schwimmt durch den menschlichen Körper

Kein Science-Fiction, sondern Realität: Mikroroboter in Muschelform können künftig durch Körperflüssigkeiten schwimmen und dort Medikamente platzieren oder Proben entnehmen. Die Einzelteile stellten die Forscher aus Stuttgart mit dem 3D-Drucker her. 

Mikroschwimmer in Muschelform: Nach dem Vorbild der Schalentiere hat ein Team um Stuttgarter Max-Planck-Forscher ein winziges U-Boot konstruiert, das rechts schematisch dargestellt ist. Mithilfe kleiner Magnete, die hier als rot-blaue Zylinder dargestellt sind, lassen sich die beiden Hälften des Schwimmkörpers öffnen und schließen.

Mikroschwimmer in Muschelform: Nach dem Vorbild der Schalentiere hat ein Team um Stuttgarter Max-Planck-Forscher ein winziges U-Boot konstruiert, das rechts schematisch dargestellt ist. Mithilfe kleiner Magnete, die hier als rot-blaue Zylinder dargestellt sind, lassen sich die beiden Hälften des Schwimmkörpers öffnen und schließen.

Foto: Alejandro Posada/ MPI für Intelligente Systeme

Der Physiker Peer Fischer und sein Team vom Max-Planck-Institut für intelligente Systeme in Stuttgart haben für die Entwicklung des Mikroschwimmers die Muschel als Vorbild genommen. Die winzigen Teile haben sie mit dem 3D-Drucker hergestellt. In Zukunft soll der Mikroroboter Medikamente gezielt im Körper platzieren, Proben entnehmen und sogar Operationen überflüssig machen. 

Doch eine Bewegung in Körperflüssigkeiten ist schwer, denn ihre Zähigkeit verändert sich häufig mit der Belastung. Wenn sich ein Objekt schnell bewegt, stößt es im Vergleich zu langsamer Bewegung auf überproportional großen Widerstand. Fischer weiß warum: „In Gelenkflüssigkeit zum Beispiel ordnen sich Hyaluronsäure-Moleküle im Ruhezustand zu netzwerkartigen Strukturen an, die für eine hohe Viskosität sorgen. Doch sobald sich etwas durch diese Flüssigkeit bewegt, bricht das Netzwerk auf – und das Fluid wird dünnflüssiger.“ Bislang haben Forscher versucht, Bakterien, Geißeln oder Flagellen mit Propellern auszustatten. Das ist allerdings kompliziert. 

Die Mikromuschel schwimmt – und das ist nicht selbstverständlich. In Flüssigkeiten wie Wasser käme sie mit symmetrischen Bewegungen nicht vorwärts, in Medien, deren Viskosität sich bei Bewegungen ändert, dagegen schon. In einer solchen haben die Stuttgarter Forscher sie getestet und sie dabei im Mikroskop beobachtet.

Die Mikromuschel schwimmt – und das ist nicht selbstverständlich. In Flüssigkeiten wie Wasser käme sie mit symmetrischen Bewegungen nicht vorwärts, in Medien, deren Viskosität sich bei Bewegungen ändert, dagegen schon. In einer solchen haben die Stuttgarter Forscher sie getestet und sie dabei im Mikroskop beobachtet.

Foto: Tian Qiu/ MPI für Intelligente Systeme

Antrieb durch Auf- und Zuklappen

Die Forscher aus Stuttgart setzen für die Fortbewegung auf ein anderes Prinzip: Zwei Silikon-Polymer-Schalen von 0,3 Millimeter Dicke sind mit einem 0,06 Millimeter winzigen Drehgelenk verbunden. Extrem dünn und doch überaus robust, damit der winzige Muschelroboter durch die Blutgefäße des Menschen wandern kann. Der Mikroschwimmer entwickelt seine Antriebskraft dadurch, dass sich schnelles Zuklappen und langsames Aufklappen abwechseln. Er bewegt sich vorwärts, wenn er schnell zuklappt und geht ein Stück zurück, wenn er langsam wieder aufgeklappt wird.

Seltene-Erden-Mikro-Magneten steuern den Schwimmer über ein externes Magnetfeld und sorgen für eine asymmetrische Bewegung. „Dieses zeitlich asymmetrische Bewegungsmuster führt dazu, dass die Flüssigkeit während des Öffnens dünnflüssiger ist als beim anschließenden Schließen“, erklärt der Doktorand Tian Qiu vom Stuttgarter Team. „Wir nutzen also die Muschel selbst, um die Viskosität der Flüssigkeit um sie herum zu verändern“, erklärt Max-Planck-Forscher Andrew Mark.

So kann der Roboter in Körperflüssigkeiten wie Gelenkschmiere oder im Gewebe eingesetzt werden, um dort bestimmte medizinische Aufgaben durchzuführen – wie etwa einen Wirkstoff im Körper platzieren, gezielte Gentherapie vornehmen oder eine Augen-Operation durchführen. 

Nano-U-Boot fährt durch Gelenkflüssigkeit 

Ein Nano-U-Boot mit Propellerantrieb, das einer korkenzieherähnlichen Schraube ähnelt, präsentierte das Forscherteam schon im vergangenen September.

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 Flüssigkeit schraubt.

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 Flüssigkeit schraubt.

Foto: Debora Schamel/MPI für Intelligente Systeme

Nie zuvor wurde ein Miniaturschwimmer in dieser winzigen Größe entwickelt. Mit einem Durchmesser von 100 Nanometern, also einem Zehntel Mikrometer, und einer Länge von 400 Nanometer, kann das winzige Nano-U-Boot durch Gelenkflüssigkeiten und Bindegewebe fahren. „Theoretisch ist bei der Größe unserer Konstruktion sogar eine Verwendung innerhalb von Zellen denkbar“, so Fischer vorsichtig. 

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