Mini-Maschine im Auge

ETH-Forscher entwickeln winzige Roboter, die sich ferngesteuert durch unseren Körper bewegen.

Der kleine Punkt in dem Modellauge, etwas unterhalb der Mitte rechts, ist ein Prototyp eines Mikroroboters mit einem Durchmesser von 0,3 Millimetern. Foto: ETH Zürich

Der kleine Punkt in dem Modellauge, etwas unterhalb der Mitte rechts, ist ein Prototyp eines Mikroroboters mit einem Durchmesser von 0,3 Millimetern. Foto: ETH Zürich

Barbara Reye@tagesanzeiger

Um das Leben eines Wissenschaftlers mit einem tödlichen Blutgerinnsel im Gehirn zu retten, wird ein Ärzteteam samt U-Boot geschrumpft und in die Blutbahn des Patienten injiziert. Diese Szene aus dem Science-Fiction-Film «Phantastische Reise» aus dem Jahr 1966 wirkt aus heutiger Sicht gar nicht mehr so abwegig wie damals – zumindest was das Minivehikel betrifft.

Denn rund ein halbes Jahrhundert später ist es bereits möglich, mit frei schwimmenden und drahtlosen Mikrorobotern an schwer zugängliche Stellen im Körper zu gelangen. So entwickelt das Team um Forscher Bradley Nelson von der ETH Zürich winzige Maschinen und Werkzeuge, die sich mithilfe eines externen Magnetfeldes von aussen präzise steuern lassen.

«Sie sollen helfen, direkt vor Ort zum Beispiel verstopfte ­Arterien zu öffnen, Krebszellen zu zerstören, Gewebeproben zu entnehmen oder Medikamente gezielt abzugeben», sagt Nino Läubli von der ETH Zürich, der an der «Scientifica» die neuen Forschungsergebnisse präsentieren wird. Solche minimalinvasiven Eingriffe seien schonender und hätten weniger Nebenwirkungen.

Von der Natur inspiriert

Anfang Juli stellte Nelsons Gruppe unter anderem zusammen mit dem Kinderchirurgen Gaston De Bernardis vom Kantonsspital ­Aarau in der Fachzeitschrift «Advanced Materials» den kleinsten Stent der Welt vor, der sich von allein entfalten kann. Diese nur noch 0,05 Millimeter breite und einen halben Millimeter lange Gefässprothese ist dereinst dafür gedacht, Föten mit lebensgefährlichen Harnwegsverengungen bereits im Mutterleib zu behandeln.

Gemäss dem Experten wäre dieser frühe Eingriff besser, weil dadurch eine Schädigung der Niere weitestgehend verhindert werden könnte. Zurzeit werden solche Massnahmen meist erst kurz nach der Geburt durchgeführt. Oft hat ein Rückstau des Urins beim Neugeborenen dann jedoch die Nierenfunktion schon stark beeinträchtigt. Grössere Prothesen werden bisher schon für die Behandlung von verengten Herzkranzgefässen verwendet, die allerdings zu gross für die Harnwege der Föten sind.

Um die durch die Miniatu­risierung auftretenden technischen Probleme zu lösen, lassen sich die ETH-Forscher gern von der Natur inspirieren. Wie schaffen es Leukozyten auch gegen den Blutstrom? Oder wie genau bewegen sich die E.coli-Bak­terien mit ihrer langen Geissel durch Flüssigkeiten fort?

«Wir versuchen, diese Tricks bestmöglich zu imitieren und auf unsere Systeme zu übertragen», erklärt Läubli. Denn je kleiner ein Roboter werde, umso schwieriger sei es, ihn nur mithilfe des Magnetfeldes von aussen zu steuern und zu platzieren. Aus diesem Grund hätten sie von den Bakterien beispielsweise bereits gelernt, wie diese durch Rotation der Geissel vorwärtskämen. Diese Art der Fortbewegung wird nun durch einige Mikroroboter mithilfe eines rotierenden Magnetfelds nachgeahmt.

Die ETH-Forscher stellen Mikroroboter her, die so winzig wie rote Blutkörperchen sind. Bereits 2012 erhielten die Zürcher Wissenschaftler einen Eintrag ins «Guinnessbuch der Rekorde» für den kleinsten medizinischen Roboter. Ihren Rekord haben sie längst verbessert, da die «Maschine» inzwischen sechsmal kleiner ist.

Operation mit Joystick

Spezialisiert haben sich die Leute in Nelsons Labor auch auf miniaturisierte Roboter fürs Auge. Diese könnten nützlich sein, um etwa bei einer altersbedingten Makuladegeneration Wirkstoffe kontinuierlich abzugeben. Bisher müssen bei der herkömmlichen Therapie mehrmals Spritzen verabreicht werden.

Vor fünf Jahren konstruierten sie einen Prototyp, der nur einen Millimeter lang ist und einen Durchmesser von etwa 0,3 Millimetern hat. «Er wird ins Innere des Augapfels gespritzt und danach über einen Joystick zum gewünschten Ort gelenkt», sagt Läubli. Dort könne das Medikament über einen längeren Zeitraum gezielt abgegeben werden.

Dass dies ohne Nebenwirkungen funktioniert und sich der Mikroroboter auch wieder problemlos entfernen lässt, hat die Forschergruppe um Nelson auch am Modellauge erfolgreich getestet. In drei bis fünf Jahren könnte die Methode so weit sein, dass sie im klinischen Versuch beim Menschen zum Einsatz käme, betont Läubli. Vielleicht seien ihre Roboter dann noch kleiner. Denn bereits heute seien sie schon zehnmal dünner als ein menschliches Haar.

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