Forscher der ETH Zürich haben mit Hilfe von 3D-Druck 0,25 mm kleine Mikrobots entwickelt, die im Körper Medikamente in patientenspezifischer Dosierung abgeben sollen. Die winzig kleinen Mikrovehikel bestehen aus mehreren Materialien könnten die zu transportierenden Medikamente über die Blutgefäße an die richtige Stelle im Körper bringen. Ihre Arbeit haben die Schweizer Forscher jetzt in einem Fachmagazin veröffentlicht.

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Forscher der ETH Zürich haben mit Hilfe von 3D-Druck Mikrobots entwickelt, die Medikamentennutzlasten über Blutgefäße im menschlichen Körper abgeben sollen. Durch eine Kombination weicher Lithografie und elektrochemischer Abscheidung sollen die winzig kleinen Fahrzeuge aus mehreren Materialien entstehen, die über Magnetfelder gesteuert werden können. Mögliche biokompatible Mikrobots sollen laut einer Pressemitteilung während chirurgischer Eingriffe in Patienten injiziert werden, um so ihre Krankheiten zu behandeln.

Die Arbeit der Forscher mit dem Titel „Mechanically interlocked 3D multi-material micromachines“ wurde im Fachjournal Nature communications veröffentlicht. An der TH Köln wird an 3D-Druckverfahren und auf Harz basierenden Materialien für den 3D-Druck von Implantaten geforscht, die Medikamente automatisch abgeben.

Von Eigenschaften zweier Materialien profitieren

Carlos Alcântara, einer der beiden Hauptautoren des Papiers, erklärt:

„Metalle und Polymere haben unterschiedliche Eigenschaften, und beide Materialien bieten bestimmte Vorteile beim Bau von Mikromaschinen. Unser Ziel ist es, durch die Kombination beider Eigenschaften gleichzeitig von all diesen Eigenschaften zu profitieren.“

Ineinandergreifende mechanische Strukturen in makroskopischen Maschinen und Nanosystemen wie molekularen sind weit verbreitet. Diese im Mikromaßstab zu realisieren war bisher nicht möglich. Ineinandergreifende Teile aus unterschiedlichen Materialien sind eine Herausforderung, bei Reservoirs für die Arzneimittelgabe aber ein großes Thema.

Grafik der Mikrovehikel
Computergrafik eines Mikrovehikels mit Eisenrädern (Gold) und einer Polymer-​Chassis (Rot) mit einer Gesamtgröße von 0,25 mm (Bild © Alcântara et al. Nature Communications 2020).

Mikrobots

Die Zürcher Forscher versuchten, verschiedene Metalle und Gelatine zu einem integrierten Mikrobot zu „verweben“. Durch das angepasste Muster solcher netzartiger Strukturen gehen sie davon aus, dass sie so konstruiert werden könnten, dass sie bestimmte anwendungsspezifische Eigenschaften aufweisen.

Einen Mikrobot entwickelten sie mit häufig verwendeten Metallkäfig- und Helixformen, die durch einen Polymerstab mechanisch miteinander verbunden wurden. Ein Mikrogerät so aufzubauen, machte es möglich, dass der Käfig sich frei im Inneren dreht. Das führt zu einer Taumelwirkung und letztendlich zu Geschwindigkeit und Bewegung.

Für einen funktionierenden Prototypen verwendeten die Forscher ein Nanoscribe- TPP-System. Sie füllten eine vorgefertigte Form und lösten die Schablone mit Lösungsmitteln auf. Es zeigte sich, dass sie in der Lage sind, zwei verschiedene Geometrien in einem Schritt in 3D zu drucken, wodurch ein ineinandergreifender Mikrobot entstand.

Mikrobot im Körper
So könnten die kleinen, 3D-gedruckten Mikrobots aussehen, die Medikamente in optimaler Dosierung in der Blutbahn von Lebewesen verteilen (Bild © Screenshot: 3D-grenzenlos Magazin; Videoquelle: ETH Zürich).

Verschiedene Ansätze

In weiteren Tests entstanden Vorrichtungen unter Verwendung von Formgedächtnispolymeren und wurden mit farbigen Farbstoffen hergestellt und mit farbigen Farbstoffen beladen, was die Anmeldeinformationen für die Arzneimittelabgabe verbesserte. Mit einem Magnetfeld war das Team in der Lage, Bots gegen verschiedene Reibungsgrade und mithilfe verschiedener Rotationsmodi zu manipulieren.

Mit einem hydrophilen PDMS-Rahmen verliehen sie den Modellen einen Gummiboot-Look. Die Vorrichtungen waren flüssigkeitsoptimiert und konnten so signifikanten Widerstand überwinden, um sich vorwärts zu bewegen. Damit gelang ihnen eine weitere wichtige Anforderung eines blutgefäßtreibenden Arzneimittelabgabesystems. Das Team aus Zürich will weiterforschen, um seine Bots nicht nur zur Arzneimittelabgabe, sondern auch zur Implementierung von chirurgischen Instrumenten wie Stents verwendet zu können.

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