Mit Schallwellen gegen den Strom schwimmen

Aggregierte Mikrokügelchen (rot) können sich an einer Gefässwand entgegen der Fliessrichtung bewegen. (Bild: Ahmed et al. Nature Machine Intelligence 2021)

ETH-​Forschende ge­hö­ren zu den ers­ten Wis­sen­schaft­lern, wel­che Mi­kro­ve­hi­kel mit­hil­fe von Ul­tra­schall ge­zielt ge­gen ei­nen Flüs­sig­keits­strom be­we­gen kön­nen. In Zu­kunft sol­len die win­zi­gen Ve­hi­kel in der Blut­bahn ein­ge­setzt wer­den und so die Me­di­zin re­vo­lu­tio­nie­ren.

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. An­ge­trie­ben und ge­lenkt wer­den sie meist über ma­gne­ti­sche oder akus­ti­sche Fel­der oder mit Licht.

Al­ler­dings war es bis­her ei­ne gros­se Her­aus­for­de­rung, Mi­kro­ve­hi­kel ge­gen ei­nen Flüs­sig­keits­strom zu be­we­gen. Dies ist un­ter an­de­rem nö­tig, da­mit die Winz­lin­ge in Blut­ge­fäs­sen ent­ge­gen der Fliess­rich­tung des Bluts na­vi­gie­ren kön­nen. For­schen­de der ETH Zü­rich ha­ben nun Mi­kro­ve­hi­kel ent­wi­ckelt, wel­che von ei­nem ex­ter­nen Feld an­ge­trie­ben wer­den und ge­gen den Strom schwim­men kön­nen.

In ih­rem La­bor­ex­pe­ri­ment nutz­ten die For­schen­den un­ter der Lei­tung von Da­ni­el Ah­med und Brad­ley Nel­son, Pro­fes­so­ren am De­par­te­ment Ma­schi­nen­bau und Ver­fah­rens­tech­nik der ETH Zü­rich, ma­gne­ti­sche Eisenoxid-​Polymer-Kügelchen mit ei­nem Durch­mes­ser von 3 Mi­kro­me­tern. In ei­nem Ma­gnet­feld bal­len sich die­se zu ei­nem Schwarm mit ei­nem Durch­mes­ser von 15 bis 40 Mi­kro­me­tern. Die Wis­sen­schaft­ler un­ter­such­ten das Ver­hal­ten die­ses Mikrokügelchen-​Schwarms in ei­nem dün­nen Glas­röhr­chen, durch wel­ches Flüs­sig­keit ström­te. Die ver­wen­de­ten Glas­röhr­chen hat­ten ei­nen Durch­mes­ser von 150 bis 300 Mi­kro­me­tern und so­mit ähn­li­che Aus­mas­se wie die Blut­ge­fäs­se in ei­nem Tu­mor.

Um den Kü­gel­chen­schwarm in die­sem Röhr­chen strom­auf­wärts zu be­we­gen, nutz­ten die ETH-​Forschenden den­sel­ben Kniff, 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 die For­schen­den den Schwarm mit ei­nem ro­tie­ren­den Ma­gnet­feld ent­ge­gen der Fluss­rich­tung be­we­gen.

Als nächs­tes möch­ten die For­schen­den das Ver­hal­ten der Mi­kro­ve­hi­kel in Blut­ge­fäs­sen von Tie­ren un­ter­su­chen. «Weil so­wohl Ul­tra­schall­wel­len als auch Ma­gnet­fel­der Kör­per­ge­we­be durch­drin­gen, ist un­se­re Me­tho­de gut ge­eig­net, um Mi­kro­ve­hi­kel auch im Kör­per­in­nern zu len­ken», sagt ETH-​Professor Ah­med.

Zu den an­ge­streb­ten zu­künf­ti­gen An­wen­dungs­fel­dern wird die Mi­kro­chir­ur­gie ge­hö­ren – et­wa das Ent­stop­fen von ver­stopf­ten Blut­ge­fäs­sen. Aus­ser­dem könn­ten die Mi­kro­ve­hi­kel der­einst ver­wen­det wer­den, um Krebs­me­di­ka­men­te über die Blut­ge­fäs­se zu Tu­mo­ren zu brin­gen und um sie dort ins Tu­mor­ge­we­be ein­zu­schleu­sen. Ein wei­te­res An­wen­dungs­feld ist schliess­lich das Ein­brin­gen von Me­di­ka­men­ten aus Blut­ge­fäs­sen ins Hirn­ge­we­be.

Li­te­ra­tur­hin­weis

Ah­med D, Suk­hov A, Hau­ri D, Ro­dri­gue D, Ma­ran­ta G, Har­ting J, Nel­son BJ: Bio­in­spi­red acousto-​magnetic mi­croswarm ro­bots with upstream moti­li­ty, Na­tu­re Ma­chi­ne In­tel­li­gence, 11. Ja­nu­ar 2021, doi: 10.1038/s42256-​020-00275-x

https://ethz.ch/de/news-und-veranstaltungen/eth-news/news/2021/02/mit-schallwellen-gegen-den-strom-schwimmen.html

Schwärme von Mikrokügelchen werden von einem Fluss von rechts nach links getrieben. Mit Ultraschallwellen und einem rotierenden Magnetfeld können die Schwärme entgegen der Fliessrichtung bewegt werden. (Video: ETH Zürich)

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