Mikrotechnologie Mikroroboter finden ihren Weg

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ETH-Forschende haben einen Mikroroboter entwickelt, der Medikamente gezielt zu bestimmten Stellen im Körper transportieren kann und das Potenzial hat, bald auch in Spitälern eingesetzt zu werden.

Zwölf Millionen Menschen weltweit erleiden jährlich einen Schlaganfall – viele sterben oder bleiben beeinträchtigt. Um den Thrombus aufzulösen, der das Blutgefäss dabei verstopft, werden heutzutage Medikamente verabreicht, welche sich im ganzen Körper verteilen. Damit trotzdem die nötige Menge vom Medikament den Thrombus erreicht, muss eine hohe Dosis verabreicht werden. Dies kann zu erheblichen Nebenwirkungen wie inneren Blutungen führen. Da Medikamente oftmals nur an einer bestimmten Stelle im Körper gebraucht werden, versucht die medizinische Forschung schon länger Pharmazeutika dorthin zu bringen, wo sie wirken sollen: Im Falle des Schlaganfalles direkt in die Nähe des Thrombus. Nun sind einem Team von ETH-Forschenden gleich auf mehreren Ebenen entscheidende Durchbrüche gelungen, die sie im Fachmagazin Science publizieren.

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Passgenaue Nanopartikel sind nötig

Die Forschenden nutzen als Mikroroboter eine von ihnen entwickelte runde Kapsel aus einer auflösbaren Gel-Hülle, die sie magnetisch durch den Körper steuern und so ans Ziel bringen können. In der Kapsel sorgen Eisenoxid-Nanopartikel für die magnetischen Eigenschaften. «Da die Gefässe im menschlichen Gehirn so klein sind, darf auch die Kapsel nur eine bestimmte Grösse haben. Die technische Herausforderung ist, dass eine so kleine Kapsel auch ausreichend stark magnetische Eigenschaften hat,» erklärt Fabian Landers, Erstautor des Papers und Postdoktorand am Multi-Scale Robotics Lab der ETH Zürich.

Damit die Ärzt:innen mittels Röntgenbildgebung verfolgen können, wie sich die Kapsel in den Gefässen bewegt, braucht es zudem noch ein Kontrastmittel. Dafür haben die Forschenden die in der Medizin häufig verwendeten Tantal-Nanopartikel genutzt, die allerdings schwieriger zu steuern sind, weil sie schwerer sind. «Magnetische Funktionalität, bildgebende Sichtbarkeit und präzise Steuerung in einem einzigen Mikroroboter zu vereinen, erfordert ein perfektes Zusammenspiel zwischen Materialwissenschaft und Robotik. Wir haben viele Jahre gebraucht, dieses Ziel zu erreichen», sagt ETH-Professor Bradley Nelson, der schon seit Jahrzehnten an Mikrorobotern forscht. Professor Salvador Pané, Chemiker am Institut für Robotik und Intelligente Systeme, und sein Team entwickelten passgenaue Eisenoxidnanopartikel, die dieses anspruchsvolle Gleichgewicht erst ermöglichen.

Spezieller Katheter setzt Kapsel mit Medikamenten frei

Zudem enthalten die Mikroroboter auch den Wirkstoff, den sie transportieren müssen. Den Forschenden gelang es, die Mikroroboter mit gängigen Medikamenten für verschiedene Anwendungen zu beladen. Es handelte sich um ein Medikament das Thromben auflöst, ein Antibiotikum und ein Tumormedikament. Freigesetzt werden die Medikamente durch ein hochfrequentes, magnetisches Feld, das die magnetischen Nanopartikel erhitzt und so die Gel-Hülle und den Mikroroboter auflöst.

Um den Mikroroboter in die Nähe ihres Ziels zu bringen, verwenden die Forschenden zuerst einen Einführkatheter. Der Katheter hat einen inneren Führungsdraht, der mit einem flexiblen Polymergreifer verbunden ist. Wenn dieser über die äussere Führung hinausgeschoben wird, öffnet sich der Polymergreifer und gibt den Mikroroboter frei. Anschliessend steuern die Forschenden den magnetischen Mikroroboter über ein magnetisches Navigationssystem an die richtige Stelle.

Ein handelsüblicher Einführkatheter mit Greifarm gibt den Mikroroboter frei.

Gegen den Strom – Navigieren in Blutgefässen

Um die Mikroroboter präzise steuern zu können, entwickelten die Forschenden ein modulares elektromagnetisches Navigationssystem, das für den Einsatz im Operationssaal geeignet ist. «Die Blutgeschwindigkeiten im menschlichen Arteriensystem variieren je nach Lage stark. Das macht die Navigation eines Mikroroboters sehr komplex,» erläutert Nelson. Die Forschenden kombinierten drei verschiedene magnetische Navigationsstrategien miteinander, mit denen sie in allen Regionen der Kopfarterien navigieren können.

So können sie die Kapsel entlang der Gefässwand rollen, indem sie ein rotierendes Magnetfeld einsetzen. Dabei kann die Kapsel mit einer Geschwindigkeit von 4 Millimetern pro Sekunde sehr genau an ihr Ziel gesteuert werden.

Bei einer anderen Variante wird die Kapsel mit einem Magnetfeld-Gradienten bewegt: Das Magnetfeld ist an einer Stelle stärker als an einer anderen. Der Mikroroboter wird so im Gefäss in Richtung des stärkeren Felds gezogen. Dabei kann die Kapsel auch gegen den Strom schwimmen – und das bei einer beachtlichen Strömungsgeschwindigkeit von über 20 Zentimetern pro Sekunde «Es ist unglaublich, wie viel Blut in welcher Geschwindigkeit durch unsere Gefässe gepumpt wird. Unser Navigationssystem muss das alles aushalten können», so Landers.

Wenn der Mikroroboter an eine Verzweigung von den Gefässen kommt, durch die er nur schwer zu manövrieren wäre, kommt die In-Flow-Navigation zum Zug. Dabei wird das Magnetfeld so an die Wand des Gefässes gesetzt, dass die Kapsel in das richtige Gefäss mitgerissen wird.

Indem die Forschenden die drei Navigationsvarianten kombinieren, ist eine robuste Steuerung der Mikroroboter unter einer Vielzahl von Strömungsbedingungen und anatomischen Szenarien möglich. Die Kapsel gab in mehr als 95 Prozent der getesteten Fälle das Medikament erfolgreich am richtigen Ort ab. «Magnetische Felder eignen sich hervorragend für minimalinvasive Eingriffe, da diese tief in den Körper eindringen und – in den Stärken und Frequenzen, welche wir nutzen – keinen Einfluss auf den Körper haben», erklärt Nelson.

Innovation stoppte nicht beim Roboter

Um die Mikroroboter und ihre Navigation in einer realistischen Umgebung testen zu können, entwickelten die Forschenden Silikonmodelle, bei denen sie exakt die Gefässe von Patient:innen und Tieren abgebildet haben. Diese Gefässmodelle sind so realistisch, dass sie mittlerweile in der Ausbildung von Ärztinnen und Ärzten eingesetzt und vom ETH-Spin-off Swiss Vascular vertrieben werden. «Die Modelle sind für uns so wichtig, weil wir sehr oft üben mussten, um die Strategie und alle Komponenten zu optimieren. Das geht nicht in Tieren», erklärt Pané. Im Modell konnten die Forschenden ein Blutgerinnsel gezielt auflösen.

Mikroroboter löst Thrombus vollständig auf.

Nach vielen erfolgreichen Versuchen im Modell wollte das Team auch beweisen, was der Mikroroboter unter realen klinischen Bedingungen leistet. Zum einen konnten sie in Schweinen zeigen, dass alle drei Navigationsmethoden funktionieren und der Mikroroboter während des ganzen Eingriffs gut sichtbar bleibt. Zum anderen haben sie in einem Schaf Mikroroboter durch die Gehirnflüssigkeit navigiert. Das freut Landers besonders: «Diese komplexe anatomische Umgebung hat sehr viel Potenzial für weitere therapeutische Eingriffe, deshalb war es für uns so spannend, dass der Mikroroboter auch hier seinen Weg fand.»

Nicht nur bei Gefässverschlüssen einsetzbar

Die neuen Mikroroboter könnten nicht nur bei Thrombosen, sondern auch bei lokalisierten Infektionen oder Tumoren eingesetzt werden. Das Forschungsteam hat bei jedem Entwicklungsschritt mitberücksichtigt, dass alles, was sie entwickeln, auch möglichst bald im Operationssaal eingesetzt werden kann. Das nächste Ziel ist, möglichst bald mit den klinischen Tests bei Menschen zu beginnen. Fabian Landers spricht von der Motivation, welche das ganze Team erfasst: «Im Spital machen Ärztinnen und Ärzte schon heute einen unglaublichen Job. Dass wir hier eine Technologie in den Händen haben, mit der wir schneller und effektiver helfen, und durch neuartige Therapien Patient:innen neue Hoffnung geben können, treibt uns an.»

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