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Kleines Bewegungstalent: Nanoroboter steuern erstmals durchs Auge

Wissenschaftler entwickeln speziell beschichtete Nanopropeller, die von außen durch dichtes Gewebe wie den Glaskörper eines Auges gesteuert werden können. Bisher war es lediglich möglich Mikroroboter durch Modellflüssigkeiten zu bewegen – nicht aber durch echtes Gewebe.

Rutschige Nanoroboter durchdringen das Auge Bildquelle: © MPI für Intelligente Systeme

Rutschige Nanoroboter durchdringen das Auge

Wissenschaftler der Forschungsgruppe »Mikro-, Nano- und Molekulare Systeme« am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart haben 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 Nanometer breiten Propeller auf, die so klein sind, dass sie durch die enge molekulare Matrix der gelartigen Substanz im Glaskörper des Auges durchschlüpfen können (500 Nanometer bedeutet, dass die Nanofahrzeuge einen Durchmesser haben, der 200mal kleiner ist als der eines menschlichen Haares.)

Ihre schraubenartige Struktur, Größe und schlüpfrige 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  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.

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Molekül-Matrix ein klebriges und engmaschiges Netz (© MPI für Intelligente Systeme)

 

Schwieriges Terrain

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 Partikel und Strukturen. Außerdem sorgen die chemischen Eigenschaften der Molekülmatrix dafür, dass sämtliche Partikel stecken bleiben, da es wie ein klebriges Geflecht wirkt. Deswegen haben die Forscher eine ganz besondere, zweilagige Antihaftbeschichtung eingesetzt. Die erste Schicht besteht aus Molekülen, die an die Oberfläche andocken, während die zweite eine flüssige Beschichtung ist, die die Haftung zwischen den Nanorobotern und dem umliegenden Gewebe verringert.

»Bei der Beschichtung haben wir uns von der Natur inspirieren lassen«, erklärt der Erstautor der Studie, Zhiguang Wu. »Wir trugen eine flüssige Schicht auf die Nanopropeller auf, wie sie bei der fleischfressenden Kannenpflanze (Nepenthes) vorkommt.« Auf ihren Blättern, die als Fallgruben dienen, sorgt eine rutschige omniphobe Beschichtung dafür, dass Insekten ausrutschen und hineinfallen. So schlüpfrig wie die Teflonbeschichtung einer Bratpfanne. Ohne diese Schicht könnten die Forscher 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.

Nun musste der Nanoroboter noch von außen gesteuert werden können. Der Antrieb funktioniert magnetisch. Bei der Herstellung der Nanopropeller bauen die Forscher Eisen ein, was es ihnen ermöglicht, die Gefährte von außen mit Hilfe von Magnetfeldern zum gewünschten Ziel zu steuern. »Der magnetische Antrieb der Nanoroboter, ihre ausreichend kleine Größe sowie die rutschige Beschichtung sind nicht nur im Auge, sondern können auch für die Penetration anderer Gewebe im menschlichen Körper nützlich sein«, sagt Tian Qiu, einer der Autoren der Publikation.

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Die Fortbewegung der Propeller wird mit Hilfe der optischen Kohärenztomographie in einem von Magnetspulen umgebenen Schweineauge beobachtet. (© MPI für Intelligente Systeme)

 

Nanoroboter auf dem Weg zur Netzhaut

Mit einer kleinen Nadel injizierten die Forscher Zehntausende ihrer schraubenförmigen Roboter in den Glaskörper eines Schweineauges. Mithilfe umliegender Magnetspulen, die die Nanopropeller drehen und damit nach vorne bewegen, schwammen die kleinen Propeller 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.«

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Rutschige Nanoroboter durchdringen das Auge (© MPI für intelligente Systeme)

 

Originalpublikation: Die vollständige wissenschaftliche Arbeit finden Sie hier: »A swarm of slippery micropropellers penetrates the vitreous body of the eye«, Zhiguang Wu, Jonas Troll, Hyeon-Ho Jeong, Qiang Wei, Marius Stang, Focke Ziemssen, Zegao Wang, Mingdong Dong, Sven Schnichels, Tian Qiu, Peer Fischer, Science Advances, 2018, DOI/10.1126/sciadv.aat4388


(me)