Nanoroboter, die in die Blutbahn eingeführt, selbstständig Operationen durchführen – das gehört noch zu Science-Fiction. Dieser Zukunftsvision sind jedoch Forscher am Max-Planck-Institut für intelligente

Systeme in Stuttgart jetzt einen kleinen Schritt näher gekommen. Wir haben in unserem Labor zwei Mikroschwimmer entwickelt, die Mikromuschel, die sich durchs

Öffnen und Schließen in nicht-newtonschen Flüssigkeiten fortbewegt, und die Nanoschraube, die die Form eines Korkenzieher in Nano-Größe hat. Sie kann sich durch Rotation fortbewegen.

Die Mikromuschel misst 600 Mikrometer in der Länge und 300 Mikrometer in der Breite. Im Vergleich dazu misst ein menschliches Haar normalerweise 100 Mikrometer im Durchmesser. Sie ist also dreimal so breit wie ein menschliches Haar. Die Nanoschraube ist noch kleiner. Ihr Durchmesser beträgt nur 100 Nanometer und sie hat die Länge von 400 Nanometern.

Die Fortbewegung der Nanoschwimmer stellte die Forscher vor eine Herausforderung. Im Wasser, einer newtonschen Flüssigkeit, die sich durch ihr linear-viskoses Fließverhalten charakterisiert, würde die Mikromuschel nämlich durch das symmetrische Öffnen

und Schließen nicht vom Fleck kommen. Die meisten unserer Körperflüssigkeiten gehören jedoch zu den nicht-newtonschen Flüssigkeiten. Das bedeutet, dass ihre Viskosität von der Scherkraft abhängt.

Mit zunehmender Scherkraft nimmt die Viskosität ab. Unsere Muschel nutzt dies, indem sie verschiedene Geschwindigkeiten beim Öffnen und Schließen anwendet. Somit erfährt sie geringen Widerstand beim langsamen Öffnen und hohen Widerstand beim schnellen Schließen. Auf diese Weise kann sie sich fortbewegen.

Bei der Nanoschraube verwenden wir ein rotierendes Magnetfeld, das bewirkt, dass sie sich dreht. Durch die Spiralkonstruktion verbindet die Schraube die Drehbewegung mit der Translationsbewegung und kommt so vorwärts.

Die Nanoschwimmer stellen die Forscher mit einem Druckverfahren her. Besonders wichtig bei der Auswahl der Materialien war ihre Verträglichkeit.

Für die Micro-Muschel verwenden wir einen 3D-Drucker und eine Micro-Molding-Methode. Wir drucken zunächst die Struktur und formen dann Polymere ab. Dies bedeutet, dass wir eine Vielzahl an Materialien, nämlich alle, die sich formen lassen, verwenden können. In unseren Experimenten nutzen wir das Polydimethylsiloxan, ein Silikon, das

sehr weich und biokompatibel ist. Für die Nanoschraube verwenden wir anorganische Materialien, wie zum Beispiel Siliziumdioxid, Titandioxid oder Silizium und für das magnetische Material Nickel oder Eisenoxid, die wir zusätzlich noch beschichten können. Bei Formen im Nanometer-Bereich sind anorganische Materialien wesentlich stabiler.

Die Grundlagenforschung der Arbeitsgruppe könnte irgendwann dazu führen, dass die kleinen Vehikel in der Medizin angewendet werden. Ich denke, wir haben eine gewisse Zeit vor uns, bis solche Mikrosysteme tatsächlich

zu diagnostischen Maßnahmen im menschlichen Körper eingesetzt werden können. Wir haben erste gute Erfahrungen gemacht, dass dies in vitro möglich ist. Wir stehen jetzt kurz davor, diese kleinen Partikel am Augapfel von Schweinen auszutesten. Nur, ich denke, bis diese Verfahrensweisen in den klinischen Alltag Einzug halten,

werden mehrere Jahre, wenn nicht möglich Jahrzehnte vergehen. Grundsätzlich sind wir an der extremen Miniatisierung operativer Verfahrensweisen interessiert. Einerseits, um Operationseffektivität zu steigern, Operationszeiten zu kürzen und einen Eingriff so minimal als möglich zu gestalten.

Heutzutage gibt es bereits sehr feine Instrumente, zum Beispiel in der Urologie, die die Entfernung von Harnleitern oder Mierensteinen ermöglichen. Allerdings sind solche Eingriffe stets mit einer Narkose verbunden, sodass möglicherweise eines Tages diese Dinge derartig miniaturisiert werden können,

dass diese Eingriffe eben schmerzfrei und ohne Narkose am Menschen durchgeführt werden können. Zwar findet die Entwicklung der Forscher nicht sofort den Weg zum Patienten, dennoch eröffnet sie neue Chancen für die Medizin und lässt auch viele Möglichkeiten spekulieren. Jegliche Spekulation darüber, was diese kleinen Teilchen eines Tages für uns erledigen könnten,

ist dem Bereich der Science Fiction zuzuordnen, also komplexe Operationen. Dass zum Beispiel die kleinen Partikel Tumortherapie, Tumortherapeutika an den Ort ihres Bestimmens transportieren können, ist eines Tages möglicherweise möglich,

allerdings absolute Spekulation.