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Forscher der EPFL und der ETH Zürich haben winzige Roboter entwickelt, die zukünftig Medikamente zielgerichtet an schwierig erreichbare Stellen im Körper transportieren könnten. Abhängig von ihrer Umgebungsflüssigkeit verändern diese intelligenten «Mikroschwimmer» ihre Form und Bewegung. Als Vorbild dienen Bakterien, die sowohl ihre Zellkörperform als auch ihre Antriebssysteme flexibel anpassen können und so ihre Beweglichkeit und Schnelligkeit optimieren.

Bakterienähnlicher Bauplan macht Mikroschwimmer schnell und wendig
Wissenschaftler der EPFL und der ETH Zürich haben es sich unter der Leitung der Professoren Selman Sakar und Bradley Nelson zur Aufgabe gemacht, mikroskopisch kleine Mikroschwimmer zu entwickeln, die biologische Barrieren überwinden, zuverlässig durch Gefässsysteme navigieren und sich schnell und wendig durch Körperflüssigkeiten bewegen können.

Ihre Inspiration hierfür fanden sie in der Natur: Bakterien sind Meister darin, durch komplexe Umgebungen zu manövrieren, um Nährstoffe aufzuspüren und zu verfolgen. Dabei passen sie ihre Zellkörperform und ihre Antriebssysteme flexibel an die unterschiedlichsten physikalischen und chemischen Gegebenheiten ihrer Umgebung an – eine Fähigkeit, die auch für die artifiziellen Mikroschwimmer erstrebenswert ist.

Intelligente Navigation dank flexibler Verformbarkeit
Ihre Erkenntnisse über das flexible Schwimmverhalten von Mikroorganismen kombinierten die Wissenschaftler mit der japanischen Falttechnik Origami. Das Ergebnis: Dreidimensional gefaltete, magnetische Mikrostrukturen aus biokompatiblem Hydrogel, welche die Schwimmbewegungen von Bakterien imitieren und durch Hohlräume navigieren können. Vorprogrammiert durch die richtige Falttechnik und die Zusammensetzung des Materials passen sich die Mikroschwimmer an die physikalischen und chemischen Eigenschaften der jeweiligen Umgebungsflüssigkeit an. Ändert sich beispielsweise die Viskosität oder Osmolarität, verformen sie sich und können sich so mit gleichbleibender Geschwindigkeit und Wendigkeit fortbewegen, ohne vom richtigen Weg abzukommen.

Mikroschwimmer zur zielgerichteten Medikamentenlieferung
Die Aussichten, dass intelligente Mikroschwimmer in Zukunft als Medikamentenkuriere eingesetzt werden können, sind vielversprechend. Momentan arbeitet das Forschungsteam um Sakar und Nelson mit Hochdruck daran, die Schwimmleistung beim Navigieren durch komplexe Flüssigkeiten, wie sie im menschlichen Körper vorkommen, zu verbessern. Eine Forschungsgruppe am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart brachte ihre Mikroschwimmer bereits dazu, ein in ein rotes Blutkörperchen eingekapseltes Medikament bis zu einer Krebszelle zu transportieren, es dort abzuliefern und sich danach selbst zu zerstören, um Immunreaktionen zu vermeiden. Diese Möglichkeit der Zerstörung könnte in Zukunft zu einer «Terminierungsschaltung» der Medikamentenlieferung beitragen.

von Dr. sc. nat. Jennifer Keim und Sonia Fröhlich de Moura, IACULIS GmbH

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