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Am Max-Planck-Institut ist es zwei Wissenschaftlerinnen gelungen, Mikroalgen mittels einer magnetischen Beschichtung in Mikroroboter zu verwandeln. Die bisherigen Forschungsergebnisse sind vielversprechend.
An der Vision, dass Mikroroboter gezielt Medikamente im menschlichen Körper transportieren, wird bereits seit längerem geforscht. Am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme hat man nun einen ganz neuen Ansatz verfolgt. Das Team verpasste einzelligen grünen Mikroalgen ein magnetisches Material und testete so ihre Schwimm- und Navigationsfähigkeiten in engen Räumen und Flüssigkeiten mit hoher Viskosität. Die Forschungsergebnisse wurden nun in der Zeitschrift Matter veröffentlicht.
Für die grüne Mikroalge hat man sich am Max-Planck-Institut deshalb entschieden, weil die Einzeller von Natur aus fantastische Schwimmer sind. Sie haben zwei antennenartige Fühler an der Vorderseite, die sie wie beim Brustschwimmen vorwärts katapultieren. Daran hindert sie auch die magnetische Beschichtung nicht, wie das Team nachweisen in der Studie nachweisen konnte. Im Gegenteil: Die biohybriden Mikroschwimmer haben sich mit fast unveränderter Schwimmgeschwindigkeit vorwärts bewegt. Sie erreichten 115 Mikrometer pro Sekunde, was etwa zwölf Körperlängen pro Sekunde entspricht. Zum Vergleich: Olympiasieger Michael Phelps erreichte zu Bestzeiten eine Geschwindigkeit von 1,4 Körperlängen pro Sekunde. Die Alge ist allerdings auch nur eine Zelle ohne Beine und Füße.
Magnetfelder steuern „umfunktionierte“ Algen
Birgül Akolpoglu und Saadet Fatma Baltaci, die die Forschungsarbeit gemeinsam leiteten, untersuchten bereits vor einigen Jahren, wie bakterienbasierte Mikroschwimmer in Flüssigkeiten magnetisch gesteuert werden können, um sie eines Tages als Transportmittel für Medikamente einzusetzen. Nun haben sie sich Mikroalgen zugewandt. Das Ziel der beiden Forscherinnen war es, die Oberfläche der einzelligen Organismen mit einem magnetischen Material so zu funktionalisieren, dass die Zellen in jede gewünschte Richtung gelenkt werden können – und so die Mikroalge in einen Mikroroboter zu verwandeln.
Die Beschichtung der Zellen dauerte nur wenige Minuten und gelang in neun von zehn Fällen. Anschließend testeten Akolpoglu und Baltaci ihren Biohybrid-Roboter zunächst in einer Flüssigkeit, die so dünnflüssig wie Wasser war. Mithilfe externer Magnetfelder konnten sie die Roboter in jede beliebige Richtung steuern. Der nächste Schritt war die Navigation entlang winziger 3D-gedruckter Röhrchen – eine stark eingegrenzte Umgebung höchsten dreimal so breit wie die Mikroalgen. Um zu sehen, ob auch hier die Steuerung klappt, richtete das Team zwei verschiedene Systeme ein: eines mit Magnetspulen und eines mit Permanentmagneten um das Mikroskop herum. Sie erzeugten ein gleichmäßiges Magnetfeld und änderten wiederholt dessen Richtung.
„Wir haben festgestellt, dass die Algen in den 3D-gedruckten Mikrokanälen auf drei Arten navigieren: Rückwärtsbewegung, Kreuzung und magnetische Kreuzung. Ohne magnetische Steuerung blieben die Algen oft stecken und bewegten sich zurück zum Start. Mit magnetischer Steuerung bewegten sie sich jedoch reibungsloser und umgingen Hindernisse“, sagt die Co-Erstautorin der Publikation, Birgül Akolpoglu. „Die magnetische Steuerung half den Mikroschwimmern, sich an der Richtung des Feldes auszurichten. Sie zeigten echtes Potenzial für die Navigation in engen Räumen – als würde man sie mit einer Art winzigem GPS ausstatten.“
Viskosität macht Navigation schwieriger
In einem nächsten Schritt erhöhte das Team die Viskosität der Flüssigkeit und schickte seine Mikroroboter erneut durch die engen Kanäle. „Wir wollten testen, wie sich unsere Schwimmer in einer Umgebung verhalten, die Schleim ähnelt. Wir stellten fest, dass die Viskosität die Schwimmfähigkeit der Mikroalgen beeinflusst. Eine höhere Viskosität verlangsamt sie und verändert die Art und Weise, wie sie sich fortbewegen. Als wir das Magnetfeld anlegten, schwangen die Schwimmer hin und her – sie bewegten sich in einem Zickzackmuster vorwärts. Dies zeigt, wie die Feinabstimmung von Viskosität und magnetischer Ausrichtung die Navigation von Mikrorobotern in komplexen Umgebungen optimieren kann“, fügt Baltaci hinzu.
Dennoch würden die nun erarbeiteten Ergebnisse Türen öffnen, die einer gezielten Medikamentengabe mittels Mikroroboter näher kämen. Vor allem die Tatsache, dass es sich bei den Einzellern um eine biokompatible Lösung für die medizinische Behandlung handle, sei mit einem aufregenden Potenzial für zukünftige Innovationen in der Biomedizin und darüber hinaus verbunden, sind sich beide Wissenschaftlerinnen einig.
