Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

Winzlinge mit revolutionärem Potenzial

22.03.2016

Mikro- und Nanoroboter, die Tumore höchstpräzise mit Medikamenten angreifen: So könnte Krebsbekämpfung in Zukunft aussehen. Grundlagen dafür liefert die Gruppe von ETH-Forscher Salvador Pané mit magnetoelektrisch gesteuerten Janus-Maschinen.

Eines Tages nach der Arbeit sass Salvador Pané in einem Trolleybus in Zürich. Er war in seine Gedanken vertieft, da stoppte der Bus plötzlich wegen einer Fahrleitungsstörung. Dabei kam dem ETH-Forscher eine Idee: «Warum können wir nicht einen Mikroroboter erschaffen, der elektrische Energie kabellos erzeugt?»


Ein Mikroroboter wird mit einem Magnetfeld zu einer Zelle gesteuert (l.). Durch eine Veränderung des Magnetfelds - dargestellt als Kompassnadel - erzeugt der Roboter ein elektrisches Feld.

Grafik: ETH Zürich / Salvador Pané

Der Gedanke liess ihn nicht mehr los – mit Folgen: Pané und seinen Kollegen ist es gelungen, winzige Partikel herzustellen, die durch Magnetfelder zum einen präzise gesteuert werden und zum anderen elektrische Felder erzeugen.

Das mag unspektakulär klingen, ist aber ein Durchbruch. Die Einzigartigkeit liegt darin, dass eine Mikrostruktur durch eine einzige Energiequelle nicht nur bewegt sondern gleichzeitig zur Ausübung einer weiteren Funktionalität gebracht wird. Bis dahin war das normalerweise nur unabhängig voneinander möglich. Pané und sein Team vom Institut für Robotik und Intelligente Systeme (IRIS) der ETH Zürich haben ihre Forschungsresultate in der Wissenschaftszeitschrift Materials Horizons publiziert.

Wie die Schichten einer Lasagne

Pané beschäftigt sich seit Jahren mit sogenannten magnetoelektrischen Mikro- und Nanorobotern, die durch elektromagnetische Felder stimuliert werden. Manche dieser Materialien sind aus verschiedenen Schichten aufgebaut, die jeweils eine andere Reaktion auf das angelegte magnetische Feld zeigen.

«Man kann sich das wie eine zweischichtige Lasagne vorstellen: Eine Schicht reagiert auf das Feld, indem sie sich deformiert. Diese Materialien sind magnetostriktiv», erklärt Pané. «Durch die Deformation gerät die zweite, so genannt piezolektrische Schicht unter Druck und erzeugt dadurch ein elektrisches Feld.»

Diesen Effekt machen sich die ETH-Forscher zunutze: Sie haben die Mikropartikel auf einer Seite mit zwei verschiedenen Metallschichten aus Kobalt-Ferrit (magnetostriktiv) und Bariumtitanat (piezoelektrisch) ummantelt – die zwei Schichten der Lasagne: Nachdem ein magnetisches Feld um die Partikel herum erzeugt wird, dehnt sich die innere Schicht aus Kobalt-Ferrit aus, die äussere Schicht aus Bariumtitanat wird deformiert und generiert daraufhin ein elektrisches Feld um die Mikropartikel.

Medikamente zum Ziel bringen

Die Mikroroboter sind aufgrund ihrer unterschiedlichen Hälften nach dem doppelköpfigen römischen Gott Janus benannt. Bewegt werden die Janus-Partikel mittels rotierender Magnetfelder. Wird das Magnetfeld verändert, erzeugen die Mikroroboter ein elektrisches Feld.

Damit eröffnet sich ein breites Anwendungsfeld, insbesondere in der Medizin. «Wir könnten die Mikroroboter beispielsweise mit Medikamenten bestücken und gezielt zu Krebstumoren im Körper lenken, wo sie durch den Stimulus des generierten elektrischen Feldes ihre Fracht abladen», erklärt Pané. Damit könnten Nebeneffekte von Krebsmedikamenten praktisch ausgeschlossen werden, weil nur Krebszellen angegriffen würden. «Zusätzlich wird die präzise Applikation die Effizienz der Krebstherapien deutlich steigern.»

Auch andere Anwendungen wie die drahtlose elektrische Stimulation von Zellen könnten sich revolutionär auf die regenerative Medizin auswirken.

Korrosion im Auge behalten

Bis die Mikroroboter tatsächlich als Transportmittel für Medikamente eingesetzt werden können, sind viele offene Fragen zu beantworten. So ist noch nicht geklärt, welches die effizienteste Struktur respektive Materialkombination mit den höchsten magnetoelektrischen Eigenschaften ist.

Zudem müssen die Mikroroboter hinsichtlich ihrer Verträglichkeit im menschlichen Körper geprüft werden. Als Beispiel nennt der Forscher die Korrosion: «Sie wird in diesem Mikro- und Nanobereich oft übersehen, muss aber genau erforscht werden.» Korrosion kann nämlich nicht nur die Funktion eines Geräts beeinträchtigen, sondern auch Verunreinigungen verursachen. «Wir müssen also genau hinschauen, wenn wir eine Technologie zu einer medizinischen Anwendung bringen wollen», betont der Forscher.

Sein Team beschränkt sich deshalb bei der Entwicklung von Mikro- und Nanorobotern nicht nur auf die technische Machbarkeit, sondern erforscht auch die Verträglichkeit, Toxizität und Effizienz der Roboter. Pané ist überzeugt, dass die Mikroroboter eines Tages das Potenzial besitzen, im Bereich der Biomedizin einen wichtigen Beitrag zu leisten. Es wäre das (vorläufige) Ziel einer Reise, die in einem Zürcher Trolleybus begonnen hat.

Literaturhinweis

Chen X-Z, Shamsudhin N, Hoop M, Pieters R, Siringil E, Sakar MS, Nelson BJ, Pané S: Magnetoelectric micromachines with wirelessly controlled navigation and functionality. Materials Horizons 2016, 3: 113-118, doi: 10.1039/C5MH00259A

Weitere Informationen:

https://www.ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2016/03/zelltod-du...

Peter Rüegg | idw - Informationsdienst Wissenschaft

Weitere Berichte zu: ETH Korrosion Magnetfelder Medikamente Mikroroboter Winzlinge elektrisches Feld

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Energie und Elektrotechnik:

nachricht SmartMeter analysieren mit Algorithmen den Stromverbrauch
01.12.2016 | Fraunhofer-Institut für Mikroelektronische Schaltungen und Systeme IMS

nachricht Energiehybrid: Batterie trifft Superkondensator
01.12.2016 | Technische Universität Graz

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Energie und Elektrotechnik >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Greifswalder Forscher dringen mit superauflösendem Mikroskop in zellulären Mikrokosmos ein

Das Institut für Anatomie und Zellbiologie weiht am Montag, 05.12.2016, mit einem wissenschaftlichen Symposium das erste Superresolution-Mikroskop in Greifswald ein. Das Forschungsmikroskop wurde von der Deutschen Forschungsgemeinschaft (DFG) und dem Land Mecklenburg-Vorpommern finanziert. Nun können die Greifswalder Wissenschaftler Strukturen bis zu einer Größe von einigen Millionstel Millimetern mittels Laserlicht sichtbar machen.

Weit über hundert Jahre lang galt die von Ernst Abbe 1873 publizierte Theorie zur Auflösungsgrenze von Lichtmikroskopen als ein in Stein gemeißeltes Gesetz....

Im Focus: Durchbruch in der Diabetesforschung: Pankreaszellen produzieren Insulin durch Malariamedikament

Artemisinine, eine zugelassene Wirkstoffgruppe gegen Malaria, wandelt Glukagon-produzierende Alpha-Zellen der Bauchspeicheldrüse (Pankreas) in insulinproduzierende Zellen um – genau die Zellen, die bei Typ-1-Diabetes geschädigt sind. Das haben Forscher des CeMM Forschungszentrum für Molekulare Medizin der Österreichischen Akademie der Wissenschaften im Rahmen einer internationalen Zusammenarbeit mit modernsten Einzelzell-Analysen herausgefunden. Ihre bahnbrechenden Ergebnisse werden in Cell publiziert und liefern eine vielversprechende Grundlage für neue Therapien gegen Typ-1 Diabetes.

Seit einigen Jahren hatten sich Forscher an diesem Kunstgriff versucht, der eine simple und elegante Heilung des Typ-1 Diabetes versprach: Die vom eigenen...

Im Focus: Makromoleküle: Mit Licht zu Präzisionspolymeren

Chemikern am Karlsruher Institut für Technologie (KIT) ist es gelungen, den Aufbau von Präzisionspolymeren durch lichtgetriebene chemische Reaktionen gezielt zu steuern. Das Verfahren ermöglicht die genaue, geplante Platzierung der Kettengliedern, den Monomeren, entlang von Polymerketten einheitlicher Länge. Die präzise aufgebauten Makromoleküle bilden festgelegte Eigenschaften aus und eignen sich möglicherweise als Informationsspeicher oder synthetische Biomoleküle. Über die neuartige Synthesereaktion berichten die Wissenschaftler nun in der Open Access Publikation Nature Communications. (DOI: 10.1038/NCOMMS13672)

Chemische Reaktionen lassen sich durch Einwirken von Licht bei Zimmertemperatur auslösen. Die Forscher am KIT nutzen diesen Effekt, um unter Licht die...

Im Focus: Neuer Sensor: Was im Inneren von Schneelawinen vor sich geht

Ein neuer Radarsensor erlaubt Einblicke in die inneren Vorgänge von Schneelawinen. Entwickelt haben ihn Ingenieure der Ruhr-Universität Bochum (RUB) um Dr. Christoph Baer und Timo Jaeschke gemeinsam mit Kollegen aus Innsbruck und Davos. Das Messsystem ist bereits an einem Testhang im Wallis installiert, wo das Schweizer Institut für Schnee- und Lawinenforschung im Winter 2016/17 Messungen damit durchführen möchte.

Die erhobenen Daten sollen in Simulationen einfließen, die das komplexe Geschehen im Inneren von Lawinen detailliert nachbilden. „Was genau passiert, wenn sich...

Im Focus: Neuer Rekord an BESSY II: 10 Millionen Ionen erstmals bis auf 7,4 Kelvin gekühlt

Magnetische Grundzustände von Nickel2-Ionen spektroskopisch ermittelt

Ein internationales Team aus Deutschland, Schweden und Japan hat einen neuen Temperaturrekord für sogenannte Quadrupol-Ionenfallen erreicht, in denen...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von „Coopetition“ bis „Digitale Union“ – Die Fertigungsindustrien im digitalen Wandel

02.12.2016 | Veranstaltungen

Experten diskutieren Perspektiven schrumpfender Regionen

01.12.2016 | Veranstaltungen

Die Perspektiven der Genom-Editierung in der Landwirtschaft

01.12.2016 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Parkinson-Krankheit und Dystonien: DFG-Forschergruppe eingerichtet

02.12.2016 | Förderungen Preise

Smart Data Transformation – Surfing the Big Wave

02.12.2016 | Studien Analysen

Nach der Befruchtung übernimmt die Eizelle die Führungsrolle

02.12.2016 | Biowissenschaften Chemie