26.11.2020

Verkettete Mikroroboter

Pfiffige Verknüpfung von Metallen und Polymere für winzige Blutbahnfähren.

Roboter, so winzig, dass sie sich durch unsere Blutgefäße bewegen und Medi­kamente im Körper an bestimmte Stellen bringen – dies ist ein Forschungsziel, dass Wissen­schaftler seit Jahren verfolgen. Forscher der ETH Zürich ist es nun gelungen, erstmals solche Mikro­maschinen zu bauen, die aus Metall und Kunststoff bestehen. Dabei sind diese beiden Materialien wie die Glieder einer Kette miteinander verknüpft. Möglich ist dies dank einer von ihnen entwickelten neuen Herstellungs­technik.
 

Abb.: Computer­grafik eines Mikro­vehikels mit Eisenrädern und einer...
Abb.: Computer­grafik eines Mikro­vehikels mit Eisenrädern und einer Polymer-​Chassis. Das Vehikel ist gerade mal ein Viertel Millimeter lang. (Bild: Alcântara et al., NPG)

„Metalle und Polymere haben unter­schiedliche Eigenschaften, und beide Materialien bieten Vorzüge beim Bau von Mikro­maschinen. Um alle diese Eigen­schaften gleichzeitig nutzen zu können, wollten wir die beiden Materialien kombinieren“, sagt Carlos Alcântara, ehemaliger Doktorand in der Gruppe von Salvador Pané am Institut für Robotik und Intelli­gente Systeme. In der Regel werden Mikro­maschinen von außerhalb des Körpers mit Magnet­feldern angetrieben. Dazu müssen in die Mikromaschinen magne­tische Metall­teile eingebaut werden. Polymere wiederum haben den Vorteil, dass sich damit weiche und bewegliche Teile konstruieren lassen oder solche, die sich im Körperinnern auflösen. Werden Medikamente in solche auf­lösbaren Polymere eingebettet, lassen sich an bestimmten Körper­stellen gezielt Wirkstoffe freisetzen.

Die neue Herstellungs­methode basiert auf der hochpräzisen 3D-​Litho­graphie, mit der sich komplexe Gegenstände im Mikrometer­maßstab herstellen lassen. Die Wissen­schaftler haben mit dieser Technik für ihre Mikro­maschinen eine Art Gussformen hergestellt. Letztere haben dünne Kanäle, die als Negativ dienen und mit dem entsprechenden Material gefüllt werden. Mittels elektro­chemischer Abscheidung füllen die Ingenieure die einen Kanäle mit Metall, andere füllen sie mit Polymeren aus. Zum Schluss wird die Gussform mit Lösungs­mitteln aufgelöst. „Wir konnten diese Methode entwickeln, weil in unserer inter­disziplinären Gruppe Elektro­ingenieure, Maschinen­ingenieure, Chemiker und Material­wissenschaftler eng zusammen­arbeiten“, sagt Doktorand Fabian Landers.

Als Machbarkeits­nachweis von ineinander verwobenen Mikro­maschinen stellten die Ingenieure verschiedene winzige Vehikel mit Kunststoff-​Chassis und magne­tischen Metall­rädern her, die sich über ein rotierendes Magnetfeld antreiben lassen. Darunter sind solche, die sich auf einer Glas­oberfläche fortbewegen lassen, und andere, die – je nach verwendetem Polymer – in Flüssigkeit oder an einer Flüssigkeits­oberfläche schwimmen können.

Die Wissenschaftler werden ihre Zwei-​Komponenten-Mikro­maschinen nun weiter­entwickeln und mit weiteren Materialien experi­mentieren. Außerdem werden sie versuchen, komplexere Formen und Maschinen herzu­stellen, auch solche, die sich zusammenfalten und auffalten können. Neben wirkstoff­ausschüttenden Fähren gehören zu künftigen Anwendungs­möglichkeiten Mikro­maschinen, mit denen Aneurysmen behandelt oder andere Operationen durchgeführt werden können. Ein weiteres Forschungs­ziel sind auffaltbare Stents, welche mit Magnetfeldern an den gewünschten Ort gebracht im Körper werden können.

ETHZ / JOL

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