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Eine akustisch gesteuerte mikroskopische Vorrichtung
Erscheint die Vorstellung einer weichen, zellgroßen Kapsel, die in Ihren Körper injiziert werden kann, um Proben für eine Biopsie zu entnehmen, Medikamente freizusetzen oder gezielte Interventionen durchzuführen, unvorstellbar? Nicht für die Forschenden des MicroBioRobotic Systems Laboratory (MICROBS) der EPFL, die eine Technologie entwickelt haben, die all diese Dinge ermöglicht: «Das Herzstück unseres Geräts ist eine akustische Mikromaschine, die wir mittels 3D-Nanoprinting hergestellt haben», sagt Selman Sakar, Professor am Institut für Maschinenbau. «Die Teile bestehen aus Hydrogel, einem biokompatiblen Material, das etwa so steif ist wie menschliches Gewebe. Wir haben uns dann auf Computersimulationen gestützt, um ein komplexes Mikrogerät zu erfinden, das aus mehreren Motoren besteht.»
Fernbetätigung
«Nachdem das Gerät in den Körper eingedrungen ist, muss es ferngesteuert betätigt werden», sagt Sakar, «es wäre zu invasiv, Verbindungselemente wie Kabel oder Schläuche zu verwenden.» Die Forschenden verwenden Ultraschall, um die spezifischen Mikromotoren zu betätigen und die umgebende Flüssigkeit zu manipulieren: «Das Gerät funktioniert gerade wegen seines strukturellen Aufbaus. Mit Hilfe der mechanischen Resonanz können wir durch Modulation der Frequenz der akustischen Anregung sorgfältig steuern, welcher Teil des Geräts betätigt wird.»
Das Team von Sakar hat auch eine Reihe von Motoren und Mechanismen entwickelt. Durch die Kombination verschiedener Teile – Pumpen, eine Sammelkammer und Filter in verschiedenen Grössen – haben sie ein Biopsiegerät entworfen. Die Forschenden haben auch mobile Geräte gebaut, die durch den von akustischen Mikromotoren erzeugten Flüssigkeitsstrom angetrieben werden.
Programmierbare In-vivo-Pharmakologie und gezielte Therapie
Durch die Kombination dieser Technologie mit medizinischer Bildgebung können sich die Patientinnen und Patienten einer Langzeitüberwachung ohne jeglichen Eingriff von aussen unterziehen. «Wir haben die Mikrofluidik-Technologie von ihren elektronischen und externen Zwängen befreit», sagt Murat Kaynak, Hauptautor der Studie, «Mikrofluidik-Geräte können jetzt in menschliches Gewebe injiziert und dank der Abstimmbarkeit von Hydrogelen zur Verbesserung der biochemischen Analyse eingesetzt werden.»
Die Geräte könnten auch zu therapeutischen Zwecken eingesetzt werden: «Ärztinnen werden das Gerät so programmieren können, dass es eine bestimmte Medikamentendosis freisetzt, wenn es durch Ultraschall betätigt wird», fügt Kaynak hinzu, «so können sie einen bestimmten Körperteil behandeln und die Nebenwirkungen minimieren.»
Kontrollierte Lebensdauer
Während die Injektion der mikroskopischen Geräte minimal invasiv ist, hat sich die Entfernung der Geräte als grössere Herausforderung erwiesen. Die Lösung liegt in den Materialien, aus denen das Gerät hergestellt wurde: «Wie lange ein Gerät hält, hängt von den Materialien ab, aus denen es hergestellt ist», sagt Kaynak, «einige Hydrogele sind schnell biologisch abbaubar, während andere länger halten. Das Antriebskonzept funktioniert gut mit verschiedenen Arten von Polymeren.»
Bisher wurden nur in vitro-Experimente durchgeführt. Der nächste Schritt wird sein, diese Geräte in vivo zu testen.