Drug delivery mit High-speed: Neuer akustisch angetriebener Mikroroboter

Forscher am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme (MPI-IS) in Stuttgart haben einen frei beweglichen Mikroroboter entwickelt, der sowohl auf einer flachen als auch gekrümmten Oberfläche in einer Flüssigkeit gleiten kann, wenn er Ultraschallwellen ausgesetzt wird.

Der bolzenförmige, synthetische Roboter hat einen Durchmesser von nur 25 Mikrometern und wird akustisch vorwärts bewegt. “Ein Geschoss im wahrsten Sinne des Wortes”, meinen die Forscher, denn noch nie habe ein so kleiner mit Ultraschallwellen angetriebener Mikroroboter eine so hohe Geschwindigkeit erreicht. Sein Design sei zudem so effizient, dass er sogar die Schwimmfähigkeit natürlicher Mikroorganismen übertreffe.
Seine Antriebskraft ist laut Mitteilung des MPI-IS zwei bis drei Größenordnungen stärker als die von Bakterien oder Algen. Außerdem könne er während des Schwimmens Ladung transportieren. “Der akustisch angetriebene Roboter birgt großes Potenzial, die zukünftige minimalinvasive Behandlung von Patienten zu revolutionieren”, betont das MPI-IS.

Die Wissenschaftler statteten den 3-D-gedruckten Mikroroboter aus Polymer mit einem runden Hohlraum und einer kleinen röhrenförmigen Öffnung aus (Abb. 1). Ist der Roboter umgeben von Flüssigkeit wie zum Beipsiel Wasser, kapselt er eine Luftblase ein. Sobald der Roboter Ultraschallwellen von etwa 330 kHz ausgesetzt wird, pulsiert die Luftblase und drückt die Flüssigkeit im Inneren der röhrenförmigen Öffnung in Richtung Ausgang. Die Bewegung der Flüssigkeit schiebt dann den Mikroroboter vorwärts: mit bis zu 90 Körperlängen pro Sekunde. Das ist eine Schubkraft, die zwei bis drei Größenordnungen stärker ist als die von Mikroorganismen wie Algen oder Bakterien. Beide gehören zu den effizientesten Mikroschwimmern in der Natur, perfektioniert im Laufe der Evolution.

Lenkfähigkeit verfeinert, Betriebszeit erhöht
“Mikroroboter, die mit Ultraschallwellen angetrieben werden, sind nichts Neues”, betonen die Forscher. “Jedoch waren bisherige Modelle relativ langsam und erwiesen sich in der Nähe von Oberflächen schwierig zu steuern.” Außerdem sei nach nur wenigen Minuten Schluss gewesen: Die Mikroroboter hätten sich nicht mehr steuern lassen, weil der Druck des Wassers zu groß geworden sei und es den Hohlraum des Schwimmers vollständig gefüllt hätte – “alles Faktoren, die es schwierig machen, solche Miniaturroboter für medizinische Anwendungen einzusetzen wie zum Beispiel die gezielte Verabreichung von Medikamenten, bei Entgiftungen oder nicht invasive Operationen”, so die Experten des MPI-IS.

Die Wissenschaftler der Abteilung für Physische Intelligenz am MPI-IS, Dr. Amirreza Aghakhani, Oncay Yasa, Paul Wrede und Dr. Metin Sitti, der Direktor der Abteilung, zeigen in ihrer Forschungsarbeit “Acoustically powered surface-slipping mobile microrobots”, wie sie die Lenkfähigkeiten ihres Roboters verfeinern und gleichzeitig die Betriebszeit auf mehrere Stunden erhöhen konnten. Die Publikation wurde Anfang Februar in den “Proceedings of the National Academy of Sciences” (PNAS) veröffentlicht.

Zusätzlich zu der Ausstattung mit einem Hohlraum und einer Öffnung nach unten hin haben die Wissenschaftler ihren Roboter mit einer kleinen Flosse versehen. Sie gibt – ganz nach dem Motto “immer der Nase nach” – die Schwimmrichtung vor. Außerdem trugen die Forscher eine magnetische Nanofilmschicht auf die Spitze des Roboters auf. Mithilfe externer Magnetfelder konnten sie so die Fahrtrichtung nach links oder rechts beziehungsweise oben oder unten ändern.

Wirkstoff-Freisetzung am Zielort
In mehreren Experimenten testeten die Forscher, wie gut sich ihr Roboter innerhalb einer kleinen Röhre – ähnlich groß wie ein Blutgefäß – bewegen kann. Sie setzten den Roboter akustischen Wellen und einem Magnetfeld aus und es gelang ihnen, den Roboter in dem Kanal zu navigieren – unabhängig davon, ob die Oberfläche glatt oder gewellt war. Sie zeigten zudem, dass das Einfangen von Ladung automatisch geschieht: Während die Flüssigkeit aus dem Hohlraum des Roboters gedrückt wird, solange dieser Ultraschallwellen ausgesetzt ist, erzeugt diese Flüssigkeit einen kreisförmigen Strom. Dieser Strom wiederum sorgt dafür, dass die umgebenden Medikamentenpartikel zum Roboter geführt werden. Dort sammeln sich die Partikel an und werden mitsamt des Roboters wegtransportiert.
Dank dieser Fähigkeit, Ladung einzufangen, so hoffen die Forscher, könnten solche Roboter möglicherweise eines Tages eingesetzt werden, um Medikamente im Blutstrom zu sammeln und diese gezielt in Richtung ihres Zielortes zu transportieren. Die Ladung würde dann in unmittelbarer Nähe freigesetzt und so eine maximale Wirkung erzielt werden.

“Wir können unsere Mikroroboter sehr effizient betätigen, und sie sind auch sehr schnell. Ultraschall ist für den Körper harmlos und kann tief in das Innere des Körpers eindringen. Wir können unsere Roboter sowohl auf flachen als auch auf welligen Oberflächen kontrolliert bewegen und wir können Ladung wie zum Beispiel Medikamente fortbewegen”, fasst Aghakhani, ein Postdoc in der Abteilung für Physische Intelligenz und Co-Autor der Publikation, die besonderen Merkmale des Mikroroboters zusammen. “Das ist sehr beeindruckend.”

Mikroroboter dank Luftblase besser sichtbar
Ein weiterer Vorteil sei die Ultraschallbildgebung. Im Inneren des Körpers gestalte sich die Bildgebung sehr schwierig, da der Roboter nur einige Mikrometer groß sei. “Die eingeschlossene Luftblase wirkt jedoch als Kontrastmittel. Sie macht den Roboter und seine Position somit besser sichtbar”, fügt Aghakhani hinzu.
“Unsere Zukunftsvision ist es, solche akustisch angetriebenen und magnetisch gesteuerten Mikroroboter in naher Zukunft im menschlichen Körper für verschiedene minimalinvasive medizinische Anwendungen einzusetzen”, sagt Sitti.