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Maschinen herstellen können, in denen mehrere Materialien auf komplexe Weise miteinander verwoben sind. Solche Mikroroboter sollen dereinst die Medizin revolutionieren.
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. Forschenden der ETH Zürich ist es nun gelungen, erstmals solche «Mikromaschinen» zu bauen, die aus Metall und Kunststoff bestehen, und bei denen diese beiden Materialien so miteinander verknüpft sind, wie dies beispielsweise die Glieder einer Kette. Möglich ist dies dank einer von ihnen entwickelten neuen Herstellungstechnik.
«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», erklärt Carlos Alcântara, ehemaliger Doktorand in der Gruppe von Salvador Pané am Institut für Robotik und Intelligente Systeme und einer der beiden Erstautoren der Arbeit. 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.
Hightech-Herstellungsmethode
Die neue Herstellungsmethode basiert auf der Expertise von ETH-Professor Salvador Pané. Er arbeitet schon seit Jahren mit einer hochpräzisen 3D-Drucktechnik, mit der sich komplexe Gegenstände im Mikrometermassstab herstellen lassen: der 3D-Lithographie. Die ETH-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 Fabian Landers. Er ist Doktorand in Panés Gruppe und ebenfalls Erstautor der Arbeit, die in der Fachzeitschrift Nature Communications [https://doi.org/10.1038/s41467-020-19725-6] veröffentlicht wurde.
Vehikel mit magnetischen Rädchen
Als Machbarkeitsnachweis von ineinander verwobenen Mikromaschinen stellten die ETH-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 (Blutgefässausbuchtungen) behandelt oder andere Operationen durchgeführt werden können. Ein weiteres Forschungsziel sind auffaltbare Stents (röhrenförmige Gefässstützen), welche mit Magnetfeldern an den gewünschten Ort gebracht im Körper werden können.
Alcântara CCJ, Landers FC, Kim S, De Marco C, Ahmed D, Nelson BJ, Pané S: Mechanically Interlocked 3D Multi-Material Micromachines, Nature Communications, 24 November 2020, doi: 10.1038/s41467-020-19725-6 [https://doi.org/10.1038/s41467-020-19725-6]
https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2020/11/winzige-robote...
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