Micro- of zelfs nanorobots zouden ooit medische taken in het menselijk lichaam kunnen uitvoeren. Onderzoekers van het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart hebben nu een eerste stap gezet op weg naar dit doel. Ze zijn erin geslaagd zwemlichamen te construeren die tegelijkertijd aan twee eisen voldoen:ze zijn klein genoeg om te worden gebruikt in lichaamsvloeistoffen of zelfs individuele cellen, en ze kunnen navigeren door complexe biologische vloeistoffen.

In de film Fantastic Voyage uit 1966, een onderzeeër compleet met bemanning wordt verkleind zodat hij door het menselijk lichaam kan navigeren, waardoor de bemanning operaties in de hersenen kan uitvoeren. Dit scenario blijft in het rijk van science fiction, en het vervoeren van een chirurgisch team naar een ziekteplaats zal zeker fictie blijven. Hoe dan ook, kleine onderzeeërs die door het lichaam kunnen navigeren, kunnen van groot nut zijn:ze kunnen medicijnen precies op een doellocatie afleveren, een punt op het netvlies bijvoorbeeld. En ze zouden het mogelijk kunnen maken om in een specifieke cel gentherapie uit te voeren.

Als het volgens Peer Fischer gaat, leider van de Micro, Nano and Molecular Systems Research Group aan het Max Planck Instituut voor Intelligente Systemen in Stuttgart, dan zullen artsen binnen afzienbare tijd een beroep doen op micro- of zelfs nanorobots om dergelijke taken uit te voeren. De kleine helpers zouden nauwkeurig inzoomen op doelen in het lichaam, het elimineren van de noodzaak van meer grote operaties, of door sommige procedures minimaal invasief te maken.

Een microscopisch kleine sint-jakobsschelp kon niet in water zwemmen

Echter, er zijn twee fundamentele uitdagingen om deze doelen te realiseren. Blijkbaar, dergelijke voertuigen moeten klein genoeg zijn om in de oogbol te worden geïnjecteerd, bijvoorbeeld, met een spuit. Ten tweede, eenmaal in het lichaam geïntroduceerd, ze moeten door lichaamsvloeistoffen en weefsel kunnen bewegen. Op beide fronten de onderzoeksgroep onder leiding van Peer Fischer heeft nu aanzienlijke vooruitgang geboekt.

Samen met onderzoekers van het Technion in Israël en de Technische Universiteit in Dortmund, de groep uit Stuttgart beschrijft in een recent artikel een soort kunstmatige sint-jakobsschelp met een diameter van slechts een paar honderd micrometer. Ze hebben het zo ontworpen dat het apparaat in vloeistoffen kan reizen door simpelweg de schalen te openen en te sluiten. Dit is niet zo vanzelfsprekend als het klinkt. "De schaal is slechts een paar keer groter dan de dikte van een mensenhaar, "zegt Fischer. "Een vloeistof als water is voor deze apparaten ongeveer net zo stroperig als honing of zelfs teer voor ons." En met zoveel wrijving in vloeistoffen, symmetrische bewegingen, zoals het wederzijds openen en sluiten van een schelp, geen voortstuwing tot gevolg zou hebben. De heen-en-weer bewegingen veroorzaakt door de tegengestelde bewegingen zouden elkaar eenvoudigweg opheffen.

Om deze reden, de micro-scallop zou namelijk niet van de plek komen. Echter, omdat de onderzoekers op de lange termijn hun zinnen hebben gezet op het gebruik van het apparaat in biologische media, ze testten hun zwemmer direct in geschikte modelvloeistoffen. Deze hebben kenmerken die hen onderscheiden van water. "De meeste lichaamsvloeistoffen hebben de eigenschap dat hun viscositeit verandert afhankelijk van de bewegingssnelheid, " zegt Fischer. "In gewrichtsvloeistof gevonden in gewrichten, bijvoorbeeld, hyaluronzuurmoleculen rangschikken zichzelf in netwerkachtige structuren die resulteren in een hoge viscositeit. Maar zodra er iets door deze vloeistof beweegt, de moleculaire mesh breekt uit elkaar en de vloeistof wordt minder viskeus".

Magnetische bediening wordt gebruikt om de sint-jakobsschelp te openen en te sluiten

De wetenschappers maakten gebruik van precies deze vloeibare eigenschap. Ze controleren de sint-jakobsschelp zodat deze veel sneller opent dan sluit. "Dit tijdelijk asymmetrische bewegingspatroon zorgt ervoor dat de vloeistof tijdens het openen minder viskeus is dan tijdens de daaropvolgende sluitslag, " zegt promovendus Tian Qiu, een lid van het team in Stuttgart. Dus de afstand die de schelp aflegt bij het openen is niet hetzelfde als de afstand die het achteruit beweegt bij het sluiten, en dit veroorzaakt netto voorwaartse voortstuwing. Dit is de eerste keer dat een kunstmatig apparaat van deze omvang ooit door vloeistoffen kan bewegen door middel van symmetrische bewegingscycli, zegt Tian Qiu.

Om hun microzwemmers onder controle te houden, de onderzoekers integreerden kleine zeldzame-aarde-magneten in de twee schelpen. Hierdoor kunnen ze bepalen hoe de schelpen openen en sluiten - en uiteindelijk hoe het apparaat beweegt - door een extern magnetisch veld aan te leggen. Echter, De ontdekking van de onderzoekers dat micro-apparaten met symmetrische bewegingen door sommige vloeistoffen kunnen zwemmen, is niet alleen van toepassing op magnetisch aangedreven microrobots. Inderdaad, een schelpvormige miniatuuronderzeeër kan ook worden aangedreven door een actuator die reageert, bijvoorbeeld, aan temperatuurveranderingen.

De eigenlijke micro-scallop was gemaakt van een relatief hard plastic. De uitdaging was om de schelpen extreem dun te maken, maar tegelijkertijd stevig genoeg zodat ze stijf blijven in een stroperig medium.

De wetenschappers, who have published their work in Natuurcommunicatie , want to put their micro-swimmers to the test in specific biological fluids. "We're interested in the next step, for example whether we can also guide this robot through the extracellular matrix of a tissue, " says Peer Fischer.

A nano-screw acts as a propeller

This is already the second miniature robot that Peer Fischer's Stuttgart-based Group has presented to the scientific community within a short time. Together with colleagues from Israel, they described an even smaller device in the September issue of ACS Nano , in the form of a corkscrew-shaped nanohelix. Such helical structures have been around for a while. Echter, until recently their production was limited to sizes of tens of micrometres or more. Nutsvoorzieningen, Voor de eerste keer, the researchers in Stuttgart have succeeded in devising a suitable propeller with a diameter of around 100 nanometres, or one-tenth of a micrometre. The miniature swimmer measures just 400 nanometres in length. To make their nano-propeller, the scientists used a technique they developed themselves. They deposit the material of the helix layer by layer to form a geometrically defined pattern.

To drive their tiny robot, the scientists incorporated magnetic nickel at strategic places. When they then applied a rotating magnetic field, the nickel-containing nano-screw also started to rotate, causing the propeller to move forward through a liquid.

As in the case of their plastic micro-scallop, the researchers also envision medical applications for their nano-submarine. Om deze reden, they again used hyaluronic acid as a test medium. "It's a polysaccharide whose molecules cross-link to form gel-like and therefore highly viscous structures, " explains co-author Debora Schamel, a doctoral student at the Max Planck Institute in Stuttgart. In the human body this occurs not only in the synovial fluid of the joint but also in many connective tissues.

Previous artificial structures were too large to penetrate the tightly woven network of hyaluronan molecules. Debora Schamel is therefore pleased with the progress her team has made:"For the first time we have a nano-robot that's small enough to swim through this tight mesh." The tiny submarine could also be used in media other than synovial fluid. Other liquids in which such nano-vehicles could deliver drugs, bijvoorbeeld, include the vitreous humor of the eye, mucous membranes, and even blood. "Theoretically, given the size of our device, it could conceivably also be used within cells, " Fischer says cautiously. Of course, to achieve this, a way would have to be found to inject the nano-submarines into cells.

Dus, there is still some way to go before treatments such as those depicted in the Fantastic Voyage become reality.