Biomedizin

Fertigung implantierbarer Mikroroboter aus biologischem Material

| Redakteur: Benjamin Kirchbeck

Auf der linken Seite ist der Herstellungsprozess eines Malteserkreuzgetriebes abgebildet, welches mit der "iMEMS"-Methode produziert wird. Dieser Prozess ermöglicht die hohe Variabilität der jeweiligen Einzelteile. Die rechte Abbildung zeigt das fertige Gesamtkonstrukt.
Auf der linken Seite ist der Herstellungsprozess eines Malteserkreuzgetriebes abgebildet, welches mit der "iMEMS"-Methode produziert wird. Dieser Prozess ermöglicht die hohe Variabilität der jeweiligen Einzelteile. Die rechte Abbildung zeigt das fertige Gesamtkonstrukt. (Bild: SauYin Chin/Columbia Engineering)

Einem amerikanischen Team von Wissenschaftlern ist es gelungen, Mikroroboter sicher in den Körper zu verpflanzen. Die technische Besonderheit liegt in dem verwendeten biologischen Material „Hydrogel“.

Jahrzehntelang waren Ingenieure mit der Entwicklung des biologischen Stoffes, dem sogenannten Hydrogel, beschäftigt, welcher nun bei der neuesten Generation von Mikrorobotern zum Einsatz kommt. Mittels der Hydrogel-Verwendung können dreidimensionale und zeitgleich freibewegliche Einzelteile entworfen und zusammengesetzt werden, welche im Anschluss in den Körper implantiert werden.

Federführend bei der Entwicklung war der Professor für Biomedizin & Entwicklung Sam Sia, dessen neue Technik den Namen „iMEMS“ trägt. „iMEMS“ steht für „implantable microelectromechanical systems“ (implantierbare mikroelektromechanische Systeme). Die Einsatzmöglichkeiten der hochvariablen Einzelteile reichen von Verteilern über Rotoren, bis hin zu Pumpen und Systemen zur Arzneiverteilung.

Neben dem breit gefächerten Wirkungskreis stellt speziell die Steuerung nach der Implementierung ein weiteres Hauptmerkmal dar. Auf Batteriekapazitäten kann aufgrund magnetischer Kräfte gänzlich verzichtet werden. Möglich wird dies durch die Verwendung kleinster magnetischer Eisenteilchen.

Durch den Batterieverzicht, reduziert sich zeitgleich die Vergiftungsgefahr. Ursächlich hierfür ist die Vielzahl an Giftstoffen, die in den Batterien enthalten sind und bei einer Implementierung an den Körper abgegeben werden. Ergänzt wird die neue Methodik durch eine wesentlich ausgereiftere Nutzlast und Effizienz.

Auch bei der Chemotherapie wirkt sich die Methode positiv aus: Mittels der hochflexiblen Einzelteile lässt sich eine medikamentöse Dosierung erzielen und muss nicht auf einmal verabreicht werden. Durch die gleichmäßige Abgabe von Doxorubicin über einen Zeitraum von maximal 10 Tagen, wird zeitgleich eine höhere Effizienz als auch eine geringere Vergiftung des Körpers erreicht.

Im Vergleich zur bisher bewährten Technik erzeugt das neue System nur noch ein Zehntel des Ausgangswertes an Vergiftungssymptomen. Erste nachweisbare Erfolge wurden bereits bei einem Test mit Mäusen erzielt. Hierbei verringerte das „iMEMS“-System den Tumorwuchs erheblich, bei zeitgleich geringeren Vergiftungserscheinungen.

Sia, der neben seiner Professorenstelle auch Mitglied des „Data Science Institutes“ ist, zeigt sich begeistert von „iMEMS“. Ihm zufolge besteht hierdurch die Möglichkeit, die Welt der Biomaterialien mit hochkomplexen medizinischen Geräten zu verknüpfen. Die größte Herausforderung während der Entwicklungsphase bestand in der Findung eines ausgewogenen Verhältnisses, zwischen Flexibilität und Stabilität bei den jeweiligen Einzelteilen. Die achtjährige Entwicklungsphase habe sich am Ende vollkommen ausbezahlt.

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