Mit Nanopropellern ins Auge

Wissen­schaftler am Max-Planck-Institut für Intelli­gente Systeme in Stuttgart haben propeller­förmige Nano­roboter entwickelt, die erstmals in der Lage sind, dichtes Gewebe wie es im Auge vorkommt zu durchbohren. Sie trugen eine Antihaft­beschichtung auf die 500 Nanometer breiten Propeller auf, die so klein sind, dass sie durch die enge molekulare Matrix der gelartigen Substanz im Glaskörper des Auges durch­schlüpfen können. Ihre schrauben­artige Struktur, Größe und schlüpfrige Beschichtung ermöglichen es den Nano­propellern, sich relativ ungehindert durch ein Auge zu bewegen, ohne dabei das empfind­liche Gewebe um sie herum zu beschädigen. Bisher war dies nur in Modell­systemen oder bio­logischen Flüssig­keiten möglich. Die Forscher sind damit dem Ziel einige Schritte näher­gekommen, Nano­roboter eines Tages als Transport­mittel zu nutzen, die Medikamente oder andere Thera­peutika genau dorthin bringen können, wo sie gebraucht werden, ohne, dass ein größerer operativer Eingriff nötig wäre.

Einen Nano­roboter durch dichtes Gewebe zu steuern, ist eine große Heraus­forderung. Zunächst wäre da die zähflüssige Konsistenz des Augapfel­inneren, die enge molekulare Matrix, durch die die Nano­propeller hindurch­schlüpfen können sollen. Sie wirkt wie eine Barriere und verhindert das Eindringen größerer Partikel und Strukturen. Außerdem sorgen die chemischen Eigenschaften der Molekül­matrix dafür, dass sämtliche Partikel stecken bleiben, da es wie ein klebriges Geflecht wirkt. Deswegen haben die Forscher eine ganz besondere, zweilagige Antihaft­beschichtung eingesetzt. Die erste Schicht besteht aus Molekülen, die an die Oberfläche andocken, während die zweite eine flüssige Beschichtung ist, die die Haftung zwischen den Nano­robotern und dem umlie­genden Gewebe verringert.

„Bei der Beschichtung haben wir uns von der Natur inspi­rieren lassen", erklärt Zhiguang Wu. „Wir trugen eine flüssige Schicht auf die Nanopropeller auf, wie sie bei der fleischfressenden Kannen­pflanze (Nepenthes) vorkommt. Auf ihren Blättern, die als Fallgruben dienen, sorgt eine rutschige omni­phobe Beschichtung dafür, dass Insekten ausrutschen und hineinfallen. So schlüpfrig wie die Teflon­beschichtung einer Bratpfanne. Ohne diese Schicht könnten wir den Roboter nicht durchs Auge steuern. Sie sorgt dafür, dass die Haftung zwischen dem Netz aus Molekülen im Glaskörper des Auges und der Oberfläche unserer Nano­roboter möglichst klein bleibt." Nun musste der Nano­roboter noch von außen gesteuert werden. Der Antrieb funktioniert magnetisch. Bei der Herstellung der Nano­propeller bauen die Forscher Eisen ein, was es ihnen ermöglicht, die Nanoroboter von außen mit Hilfe von Magnet­feldern zum gewünschten Ziel zu steuern.

„Der magne­tische Antrieb der Nano­roboter, ihre ausreichend kleine Größe sowie die rutschige Beschichtung sind nicht nur im Auge, sondern können auch für die Pene­tration anderer Gewebe im mensch­lichen Körper nützlich sein", sagt Tian Qiu. In der Augen­klinik in Tübingen testeten die Forscher ihre Nano­propeller an einem sezierten Schweine­auge. Sie beobachteten die Fortbewegung der Propeller mit Hilfe der optischen Kohärenz­tomographie, die in der Diagnostik von Augen­erkrankungen weit verbreitet ist. Mit einer kleinen Nadel injizierten die Forscher Zehntausende ihrer schrauben­förmigen Roboter in den Glaskörper des Auges. Mit Hilfe umliegender Magnet­spulen, die die Nano­propeller drehen und damit nach vorne bewegen, schwammen die kleinen Propeller dann zielgerichtet zur Netzhaut, wo der Schwarm landete.

Die Forscher konnten den Schwarm in Echtzeit präzise in Richtung der Retina steuern. Nun arbeiten das Team daran, die Nanofahr­zeuge eines Tages als Transport­mittel für Medikamente einzusetzen. „Das ist unsere Vision", sagt Tian Qiu. „Wir wollen unsere Nano­propeller als Werkzeuge für die minimal-invasive Behandlung von Krank­heiten aller Art einsetzen können, bei denen der Problem­bereich schwer zugänglich und von dichtem Gewebe umgeben ist. Nicht allzu weit in der Zukunft werden wir sie mit Medi­kamenten beladen können."

Seit mehreren Jahren fertigen die Forscher verschiedene Aus­führungen mit Hilfe eines 3D-Nano­fabrikations­prozesses an, den die Forschungs­gruppe „Mikro-, Nano- und Molekulare Systeme“ unter der Leitung von Peer Fischer entwickelt hat. Milliarden von Nano­robotern können in nur wenigen Stunden hergestellt werden, indem Silizium­dioxid und andere Materialien, ein­schließlich Eisen, unter hohem Vakuum auf einen Silizium­wafer verdampfen und sich dieser dabei dreht. So entsteht die Helix-Struktur.

MPIIS / JOL