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Mikrovehikel die gegen den Strom schwimmen

Winzige Vehikel, so klein, dass sie durch unsere Blutgefäße navigieren können, sollen es Ärzten in Zukunft erlauben, im Körperinnern Biopsien zu nehmen, Stents einzusetzen oder Medikamente präzise an schwer zu erreichende Stellen zu transportieren. Wissenschaftler weltweit erforschen und entwickeln derzeit solche Mikrovehikel. Allerdings war es bisher eine große Herausforderung, Mikrovehikel gegen einen Flüssigkeitsstrom zu bewegen. Forschende der ETH Zürich haben nun Mikrovehikel entwickelt, welche von einem externen Feld angetrieben werden und gegen den Strom schwimmen können.

Sie benutzten magnetische Eisenoxid-Polymer-Kügelchen mit einem Durchmesser von 3 Mikrometern, die sich in einem Magnetfeld zu einem Schwarm mit einem Durchmesser von 15 bis 40 Mikrometern zusammenballen. Um den Kügelchenschwarm in einem Röhrchen, das der Größe von Blutgefäßen entspricht, stromaufwärts zu bewegen, nutzten sie denselben Trick, den auch Bootsfahrer in einem Fluss nutzen: Letztere rudern in Ufernähe stromaufwärts. Dort ist die Fließgeschwindigkeit wegen des Reibungswiderstands des Ufers geringer als in der Flussmitte.

Mithilfe von Ultraschall einer bestimmten Frequenz brachten die Wissenschaftler den Mikrokügelchen-Schwarm zunächst in die Nähe der Röhrchenwand. Anschließend konnten sie den Schwarm mit einem rotierenden Magnetfeld entgegen der Flussrichtung bewegen.

„Weil sowohl Ultraschallwellen als auch Magnetfelder Körpergewebe durchdringen, ist unsere Methode gut geeignet, um Mikrovehikel auch im Körperinnern zu lenken,“ fassen die Studienleiter Daniel Ahmed und Bradley Nelson ihre Ergebnisse zusammen. Neben dem Abbau von verstopften Blutgefäßen könnten die Mikrovehikel dazu verwendet werden, um Krebsmedikamente über die Blutgefäße zu Tumoren zu bringen oder Wirkstoffe ins Hirngewebe transportieren zu können.

Referenz:
ETH Zürich
Bioinspired acousto-magnetic microswarm robots with upstream motility, Nature Machine Intelligence, https://www.nature.com/articles/s42256-020-00275-x

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Mit Angelhaken durch die Blutbahn

Wie sich besonders verwinkelte und kleine Blutgefäße erreichen lassen, hat ein Team der Eidgenössischen Technischen Hochschule Lausanne (EPFL) herausgefunden. Um sich Zugang zu hauchdünnen Venen und Arterien zu verschaffen, wurde bisher ein Führungsdraht, mit dem sich Katheter an die gewünschte Stelle schieben lassen, verwendet.

Damit bleiben aber große Teile des Gehirns unzugänglich, weil die vorhandenen Geräte unhandlich sind und die Erforschung des winzigen, komplizierten zerebralen Gefäßsystems ohne Gewebeschädigung extrem schwierig ist.

Deshalb wurden nun weniger als hundert Mikrometer kleine Geräte entwickelt, die auch die feinsten und besonders verzweigten Blutgefäße erreichen. Die Instrumente bestehen aus einer magnetischen Spitze und einem flexiblen Körper aus biokompatiblen Kunststoffen. Sie funktionieren ähnlich wie ein Angelhaken im Wasser: Der Blutfluss zieht das an einem Ende festgehaltene Gerät zu den winzigsten Gefäßen im Körper. Trifft es auf eine Verzweigung, lässt es sich mittels magnetischer Computersteuerung in die gewünschte Position drehen. So wandert es entlang der Kapillaren weiter ohne Schäden an den Gefäßwänden zu verursachen. Die Machbarkeit wurde in Laborexperimenten sowie im Gefäßsystem eines Kaninchenohrs demonstriert.

In einem nächsten Schritt möchten die Forscher das System in weiteren Tierversuchen testen. Sie hoffen, dass ihre Entwicklung es einmal erlauben wird, tiefsitzende Tumore im Gehirn zu behandeln.

Referenz:
EPFL
Pressemeldung Science APA; https://science.apa.at/power-search/7166836274369196198,
Originalpublikation: Flow driven robotic navigation of microengineered endovascular probes, Nature Communications 2020, https://www.nature.com/articles/s41467-020-20195-z

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