Plastikmuschel bringt Traum von Reparaturrobotern im Körper näher

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Eine magnetische Steuerung öffnet und schließt die Muschel

Genau dieses Verhalten machten sich die Wissenschaftler bei ihrer Muschel zunutze. Konkret steuerten sie die Muschelschalen so, dass sie sich sehr viel schneller öffnen als schließen. „Dieses zeitlich asymmetrische Bewegungsmuster führt dazu, dass die Flüssigkeit während des Öffnens dünnflüssiger ist als beim anschließenden Schließen“, sagt Doktorand Tian Qiu vom Stuttgarter Team.

Damit ist die Distanz, die die Muschel beim Öffnen zurücklegt, auch eine andere als die, um die sie sich beim Schließen wieder zurückbewegt. Netto kommt sie also voran. Es sei das erste Mal überhaupt, dass sich ein künstliches Gebilde dieser Größenordnung mit symmetrischen Bewegungszyklen in Flüssigkeiten fortbewegte, so Tian Qiu.

Um ihren Mikroschwimmer überhaupt derart kontrollieren zu können, arbeiteten sie in der Achse, die das Gelenk zwischen beiden Muschelschalen bildet, magnetische Seltenerdmetalle ein. Über ein von außen angelegtes Magnetfeld regulierten sie dann, wie sich die Muschelschalen öffnen und schließen – letztlich also, wie sie sich fortbewegen.

Die Erkenntnis der Stuttgarter Forscher, dass mikroskopische Vehikel durch manche Flüssigkeiten auch mit symmetrischen Bewegungen schwimmen, gilt aber nicht nur für magnetisch angetriebene Tauchfahrzeuge. Vielmehr lässt sich ein Miniatur-U-Boot in Muschelform auch durch andere Aktuatoren bewegen, etwa einen, der auf eine Temperaturveränderung reagiert.

Die eigentliche Muschel bestand aus einem relativ harten Kunststoff. Hier lag die besondere Herausforderung darin, die Muschelschalen einerseits extrem dünn und andererseits robust genug für die „Ruderbewegungen“ in einem vergleichsweise zähen Medium zu gestalten.

Die Wissenschaftler, die ihre Arbeit nun in Nature Communications vorstellten, wollen ihre Mikroschwimmer nun in konkreten biologischen Flüssigkeiten testen. „Uns interessiert im nächsten Schritt zum Beispiel, ob wir diesen Roboter auch durch eine extrazelluläre Matrix, also durch ein Gewebe, steuern können“, so Peer Fischer.

Eine Nanoschraube wirkt wie ein Propeller

Für die Stuttgarter Gruppe um Peer Fischer war es schon der zweite Miniatur-Roboter, den sie innerhalb kurzer Zeit der Fachwelt vorstellten. Bereits in der September-Ausgabe von ACS Nano hatten sie gemeinsam mit Kollegen aus Israel ein sogar noch deutlich kleineres Vehikel präsentiert. Dabei handelt es sich um eine gläserne korkenzieherähnliche Schraube. Solche schraubenartigen Strukturen gibt es schon länger. Allerdings war ihre Herstellung bis vor kurzem auf Größenordnungen im Bereich von zehn und mehr Mikrometern begrenzt. J

etzt war es den Forschern aus Stuttgart zum ersten Mal gelungen, einen entsprechenden Propeller mit einem Durchmesser um die 100 Nanometer, also einem Zehntel Mikrometer herzustellen. In der Länge misst der Miniatur-Schwimmer 400 Nanometer. Bei der Fabrikation ihres Nanopropellers nutzten die Wissenschaftler eine Technik, die sie selbst entwickelt haben. Dabei dampfen sie das Silicat-Material Schicht für Schicht in geometrisch definierter Weise auf.

Wie bei ihrer Mikromuschel aus Kunststoff, so zielen die Visionen der Forscher auch bei ihrem gläsernen „Nano-U-Boot“ auf medizinische Anwendungen. Als Testmedium wählten sie daher ebenfalls Hyaluronsäure. „Dabei handelt es sich um ein Polysaccharid, dessen Moleküle im Verbund gelartige und damit hochviskose Strukturen bilden“, erklärt die Mitautorin Debora Schamel, die am Stuttgarter Max-Planck-Institut promoviert. Im menschlichen Organismus kommt es nicht nur in Gelenkflüssigkeit, sondern etwa auch in vielen Bindegeweben vor.

Bisherige künstliche Gebilde waren noch zu groß, um das eng geflochtene Netzwerk der Hyaluronan-Moleküle zu durchdringen. Debora Schamel freut sich daher über den Fortschritt ihres Teams: „Erstmals haben wir jetzt einen Nano-Roboter, der klein genug ist, um auch durch diese engen Maschen zu schwimmen.“ Das winzige U-Boot könnte aber auch in anderen Medien als Gelenkflüssigkeit zum Einsatz kommen. Weitere Flüssigkeiten, in denen solche Nanovehikel zum Beispiel Wirkstoffe transportieren könnten, seien der Glaskörper im Auge, Schleimhäute – oder auch Blut.

„Theoretisch ist bei der Größe unserer Konstruktion sogar eine Verwendung innerhalb von Zellen denkbar“, so Fischer vorsichtig. Dazu freilich müsste noch ein Weg gefunden werden, die Nano-U-Boote auch in die Zellen einzuschleusen.

Bis ähnliche Therapien, wie sie „Die phantastische Reise“ von 1966 schildert, Wirklichkeit werden, bleibt also noch einiges zu tun.

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