Forschungsbericht 2018 - Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart

Nanoroboter durchqueren erstmals ein Auge

Autoren
Zhiguang Wu, Jonas Troll, Hyeon-Ho Jeong, Qiang Wei, Marius Stang, Focke Ziemssen, Zegao Wang, Mingdong Dong, Sven Schnichels, Tian Qiu, Peer Fischer
Abteilungen
Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme, Standort Stuttgart, Stuttgart
Zusammenfassung
Uns Wissenschaftlern des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme in Stuttgart ist es erstmals gelungen, speziell beschichtete Nanopropeller durch das engmaschige Gewebe des Glaskörpers eines Auges zu steuern. Unser Forscherteam ist damit dem Ziel einige Schritte nähergekommen, Nanoroboter als minimal-invasive Werkzeugen zu nutzen: eines Tages sollen sie Medikamente genau dorthin transportieren können, wo sie gebraucht werden – ohne einen größeren operativen Eingriff vornehmen zu müssen.

Abb.1: Rutschige Nanoroboter durchdringen das Auge

Unsere 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 in einem Auge vorkommt, zu durchbohren. Dafür trugen wir eine Antihaftbeschichtung auf die Propeller auf, denn nur so konnten wir sie durch die enge molekulare Matrix der gelartigen Substanz im Glaskörper des Auges bewegen. Jeder Nanoroboter ist nur 500 Nanometer breit – das heißt, sein Durchmesser ist 200 Mal kleiner als der eines menschlichen Haares.

Ihre schraubenartige Struktur, Größe und schlüpfrige Beschichtung ermöglichen es den Nanopropellern, sich relativ ungehindert durch ein Auge bewegen zu können, ohne dabei das empfindliche Gewebe um sie herum zu beschädigen. Bisher war dies nur in Modellsystemen oder biologischen Flüssigkeiten möglich. Wir 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. Unsere Forschungsarbeit dazu mit dem Titel „A swarm of slippery micropropellers penetrates the vitreous body of the eye” wurde Anfang November 2018 im Fachjournal Science Advances veröffentlicht.

Molekül-Matrix ein klebriges und engmaschiges Netz

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 müssen. 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 wir 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. Wir trugen eine flüssige Schicht auf die Nanopropeller auf, ähnlich 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. Die Schicht ist vergleichbar schlüpfrig wie die Teflonbeschichtung einer Bratpfanne. Ohne sie ließe sich der 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. Dazu bauen die Forscher bei der Herstellung der Nanopropeller Eisenpartikel ein. So lassen sich die Gefährte von außen mit Hilfe von Magnetfeldern zum gewünschten Ziel steuern. Verändern die Forscher das Magnetfeld, nehmen sie Einfluss auf die Fahrtrichtung des Nanoroboters und können ihn somit zielgerichtet lenken.

Zu der hier vorgestellten Forschungsarbeit haben auch Wissenschaftler der Universität Stuttgart, des Max-Planck-Instituts für medizinische Forschung in Heidelberg, des Harbin Institute of Technology in China, der Aarhus University in Dänemark sowie der Augenklinik des Universitätsklinikums Tübingen beigetragen. In der Augenklinik in Tübingen haben wir unsere Nanopropeller an einem sezierten Schweineauge getestet. Wir beobachteten die Fortbewegung der Propeller mit Hilfe der optischen Kohärenztomographie, einer klinisch zugelassenen Bildgebungstechnik, die in der Diagnostik von Augenerkrankungen weit verbreitet ist.

Nanoroboter auf dem Weg zur Netzhaut

Mit einer kleinen Nadel injizierten die Forscher zehntausende ihrer schraubenförmigen Roboter in den Glaskörper des Auges. Mit Hilfe 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 unser Ziel, den Schwarm in Echtzeit präzise in Richtung der Retina steuern zu können. Doch das ist erst der Anfang: Unser Team arbeitet bereits daran, die Nanofahrzeuge eines Tages als Transportmittel für Medikamente einzusetzen. 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.

Es nicht der erste Nanoroboter, den wir der Fachwelt vorstellen. Schon seit mehreren Jahren fertigen wir verschiedene Ausführungen mit Hilfe eines speziellen 3D-Nanofabrikationsprozesses an, den die Forschungsgruppe "Mikro-, Nano- und Molekulare Systeme" unter der Leitung von Professor Peer Fischer selbst entwickelt hat. Wir können so Milliarden von Nanorobotern in nur wenigen Stunden herstellen, indem wir Siliziumdioxid und andere Materialien, einschließlich Eisen, unter hohem Vakuum auf einen Siliziumwafer verdampfen lassen, während sich dieser dabei dreht. So entsteht die Helix-Struktur.

Literaturhinweise

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Z. Wu, J. Troll, H.-H. Jeong, Q. Wei, M. Stang, F. Ziemssen, Z. Wang, M. Dong, S. Schnichels, T. Qiu, P. Fischer
A swarm of slippery micropropellers penetrates the vitreous body of the eye
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