Die Chirurgen werden in Kürze Armeen von winzigen Robotern einsetzen, um Mikrochirurgen am ganzen Körper durchzuführen. Obwohl dies wie Science-Fiction erscheinen mag , hat ein Forscherteam der Drexel-Universität eine Mikrorobotertechnologie entwickelt, die für eine wichtige Mission in Betracht gezogen wird - das Bohren durch verstopfte Arterien.
Atriale Plaques bilden sich, wenn sich Fett, Cholesterin, Kalzium und andere Substanzen an den Innenwänden der Arterien ablagern, die Blut durch den Körper transportieren. Im Laufe der Zeit verhärten sich diese Arterien und verengen sich. Dieser als Atherosklerose bezeichnete Prozess begrenzt die Fähigkeit von sauerstoffreichem Blut, lebenswichtige Organe zu erreichen, und erhöht das Risiko für Herzinfarkt oder Schlaganfall. Obwohl die Ursache der Arteriosklerose unbekannt ist, tragen eine Kombination von Gewohnheiten (wie Aktivitätsniveau, Rauchen und Ernährung), genetischen Risikofaktoren und Alter zu ihrer Entwicklung bei. Zwei herkömmliche chirurgische Ansätze für blockierte Arterien sind Angioplastie und Bypass-Chirurgie. Während einer Angioplastie bläst ein Gefäßchirurg einen kleinen Ballon im Blutgefäß auf und führt ein Metallgitterrohr ein, das als Stent bezeichnet wird, um die Arterien offen zu halten und den Blutfluss zu verbessern. Im Gegensatz dazu umfasst eine Bypass-Operation die Umleitung des Blutflusses unter Verwendung nicht blockierter Venen oder Arterien, um die verengte Arterie zu umgehen.
Bei dieser neuen Innovation in der Nanomedizin handelt es sich jedoch um kleine Mikrokügelchen, die sich zu einer korkenzieherartigen Struktur verbinden, die in der Lage ist, das tückische Wasser des körpereigenen Gefäßsystems zu navigieren. Die Mikroschwimmer bestehen aus winzigen Eisenoxidperlen von nur 200 Nanometern, die zu einer Kette zusammengefügt sind. Diese Perlen bestehen aus „anorganischen, biokompatiblen Materialien, die keine immunologische Reaktion auslösen“, sagt MinJun Kim, Professor am College of Engineering der Drexel University.
Um eine Bewegung durch den Blutstrom zu induzieren, wird die Kette einem fein kalibrierten externen Magnetfeld ausgesetzt. Die Drehung dieses Feldes bewirkt, dass die Kette eine sich drehende helikale Struktur bildet, die sich selbst durch den Blutstrom treibt. Die Eigenschaften dieses Magnetfelds helfen auch dabei, die Geschwindigkeit, Richtung und Größe der Mikroschwimmerkette (die die Kraft beeinflusst, mit der sie sich bewegt) auf der Grundlage der Art des arteriellen Verschlusses zu steuern.
"Der Einsatz von Mikrorobotern in der Medizin ist wirklich ein brandneues Gebiet, das einen starken multidisziplinären Forschungshintergrund erfordert", sagt Kim.
Das einzigartige Design für den Mikroschwimmer wurde von der Natur selbst inspiriert - einem Mikroorganismus namens Borrelia burgdorferi . (Drexel University) Das einzigartige Design für den Mikroschwimmer wurde von der Natur selbst inspiriert - einem Mikroorganismus namens Borrelia burgdorferi . Die Spiralstruktur dieses Bakteriums, das für die Entstehung der Lyme-Borreliose verantwortlich ist, ermöglicht es, leicht in Körperflüssigkeiten einzudringen und weit verbreitete Schäden zu verursachen.
Um arterielle Plaques zu entfernen, werden die Wissenschaftler einen Katheter zur Versorgung der Mikroschwimmer und einen winzigen Gefäßbohrer zur Entfernung der verstopften Arterie verwenden. Nach dem Einsatz starten die Mikroschwimmer den ersten Angriff, bei dem sich die verhärtete Plakette löst, die wiederum vom chirurgischen Bohrer erledigt wird. Nach der Operation setzen die biologisch abbaubaren Perlen Antikoagulanzien in den Blutkreislauf frei, um die Bildung zukünftiger Plaques zu hemmen.
"Derzeitige Behandlungen für chronische totale Okklusion sind nur zu 60 Prozent erfolgreich", heißt es in einer Pressemitteilung von Kim . "Wir glauben, dass die Methode, die wir entwickeln, zu 80 bis 90 Prozent erfolgreich sein und möglicherweise die Wiederherstellungszeit verkürzen könnte."
Für die Mikroschwimmer verwendeten die Forscher asymmetrische Strukturen von drei winzigen Eisenoxidkügelchen. (Drexel University) Das Forscherteam musste mehrere Herausforderungen bewältigen, um funktionierende Roboter in einem solchen mikroskopischen Maßstab zu entwickeln. "Die mikroskopische Welt ist völlig anders als die makroskopische Welt, in der wir alle leben", sagt Kim. „Wir nutzen die Trägheit, um uns in der makroskopischen Welt zu bewegen, aber auf mikroskopischer Ebene ist die Trägheit für Bewegungen nicht nützlich.“ Daher mussten die Wissenschaftler für die Mikroschwimmer asymmetrische (oder chirale) Strukturen verwenden. „Wir können Einzelperlen- und Doppelperlen-Mikroschwimmer herstellen, aber wenn wir das Magnetfeld anlegen, können sie sich überhaupt nicht bewegen, weil ihre Strukturen symmetrisch sind. Um eine unsymmetrische Struktur zu erzeugen, mussten mindestens drei Perlen verwendet werden “, sagt Kim.
Ein weiteres Hindernis für die Forscher waren die komplexen Flüssigkeitseigenschaften des Blutes. Im Gegensatz zu Wasser wird Blut als Nicht-Newtonsche Flüssigkeit bezeichnet, was bedeutet, dass seine Viskosität (oder sein Strömungswiderstand) nicht direkt proportional zu der Geschwindigkeit ist, mit der es fließt. Infolgedessen basierten die von Kim und seinem Team entwickelten Algorithmen zur Steuerung der Mikroschwimmer auf nichtlinearer Fluiddynamik und waren weitaus ausgefeilter. „Diese nichtlineare Steuerung erschwert die Manipulation von Robotern im Mikromaßstab erheblich“, sagt Kim.
Die Drexel-Wissenschaftler haben sich dem Daegu Gyeongbuk-Institut für Wissenschaft und Technologie angeschlossen, um diese Technologie für den täglichen Gebrauch durch kardiovaskuläre Operationsteams zu erweitern. Bisher wurden die Mikroschwimmer nur in künstlichen Blutgefäßen getestet. Die internationalen Forschungsanstrengungen, ein 18-Millionen-Dollar-Projekt, das vom Korea Evaluation Institute of Industrial Technology finanziert wurde, haben Spitzeningenieure aus elf anderen Institutionen in den USA, Korea und der Schweiz rekrutiert. Sie hoffen, die Technologie innerhalb von vier Jahren in klinischen Studien am Menschen zu haben.
Zusätzlich zur Verwendung der Mikroschwimmer als Sanitärgeräte für die Arterien haben die Forscher andere potenzielle biomedizinische Anwendungen untersucht, wie z. B. gezieltere Arzneimitteltherapien und Bildgebungstechnologien mit höherer Auflösung. "Zum Beispiel könnten die Kügelchen verwendet werden, um direkt in schwer zugängliche Krebstumorzellen einzudringen, wo das Medikament in das Ziel freigesetzt wird, wodurch die Effizienz des Medikaments maximiert wird", sagt Kim.
Kims Interesse auf dem Gebiet der Nanotechnologie wurde 1966 durch den Science-Fiction-Film Fantastic Voyage und das von Steven Spielberg inszenierte Remake Innerspace geweckt . Bei beiden Filmen handelt es sich um die Miniaturisierung eines vom Menschen gesteuerten U-Bootes, das anschließend auf einer lebensrettenden Mission in den menschlichen Körper injiziert wird.
"Ich habe Innerspace gesehen, als ich 1987 in der High School war. Der Film enthält zahlreiche Konzepte der Mikrorobotik und Nanomedizin, die mich und andere Forscher auf diesem Gebiet inspiriert haben", sagt Kim. "Ich freue mich sehr, Teil eines Projekts zu sein, das diese Science-Fiction in die Realität umsetzt."
