Winzige Medizin-Roboter auf Kurs durch den Körper

Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts steuern Mikroalgen mithilfe von Magneten.

Winzige medizinische Roboter, die sich zielgerichtet durch den menschlichen Körper bewegen: Diesem Ziel sind Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme jetzt nähergekommen. Die Grundlage für ihre Erfindung sind Mikroalgen: Einzeller, die nur ein millionstel Meter klein sind und sich schwimmend durch ihre natürliche Umgebung navigieren. Angetrieben von zwei peitschenartigen Geißeln an der Vorderseite, erinnern ihre schnellen Bewegungen an das Brustschwimmen.

Um die Mikroorganismen gezielt lenken zu können, beschichtete das Forscherteam sie mit einem magnetischen Material. Externe Magnetfelder, erzeugt durch zwei Dauermagneten, sollten die Schwimmrichtung steuern. Die Studienleiterinnen Birgül Akolpoglu und Saadet Fatma Baltaci hatten das Prinzip bereits bei bakterienbasierten Mikroschwimmern erprobt, dabei kamen die stärksten bekannten Dauermagneten zum Einsatz, die auf dem Seltenerdmetall Neodym basieren.

Schneller als olympische Schwimmer

Die modifizierten Mikroalgen wurden anschließend in einer Umgebung getestet, die dem Gewebe im menschlichen Körper gleicht: enge Räume in einer viskosen Flüssigkeit mit einer Dichte, die der von Schleim entspricht. Das Ergebnis: Die zusätzliche Last beeinträchtigte die schwimmenden Mikroroboter kaum. Ihre durchschnittliche Geschwindigkeit lag den Forschern zufolge bei 115 Mikrometern pro Sekunde, was etwa 12 Körperlängen entspricht. Zum Vergleich: Ein olympischer Schwimmer wie Michael Phelps – der im Gegensatz zu den Einzellern auch seine Beine für den Vortrieb nutzen kann – erreicht etwa 1,4 Körperlängen pro Sekunde. Die magnetische Kontrolle verbesserte die Schwimmfähigkeit der Algen sogar, denn ohne blieben sie in der stark begrenzten Umgebung oft stecken und kehrten zum Ausgangspunkt zurück, erklärt Akolpoglu, die das System mit einem winzigen GPS vergleicht.

Die Wissenschaftler wollen ihre Entwicklung nun weiter optimieren. Die Erkenntnisse könnten den Weg für Anwendungen wie den gezielten, biokompatiblen Transport von Medikamenten ebnen und auch überall sonst Einsatz finden, wo Mikroroboter durch schwer zugängliche Umgebungen gesteuert werden.

Mehr Innovationen: Der Ansatz der Forscher erinnert an eine Erfindung, über die wir kürzlich berichteten. Dabei werden mithilfe von magnetischen Partikeln und Magnetfeldern jedoch keine schwimmenden Mikroorganismen bewegt, sondern künstliche Schmetterlinge. Mögliche Einsatzgebiete reichen von Umwelt und Landwirtschaft bis hin zur Rettung in Katastrophengebieten. Auch der Gallium-Roboter, der seine Gestalt von fest zu flüssig wandeln kann, könnte medizinische und technische Herausforderungen in schwer zugänglichen Umgebungen lösen.

Photo: iStock/ipopba