Auf Tauchfahrt im Blutstrom
In dem Science-Fiction-Film „Die phantastische Reise“ aus dem Jahr 1966 lassen sich Wissenschaftler samt ihrem U-Boot schrumpfen und in den Körper eines anderen Forschers injizieren. Fürwahr eine Fiction, zumindest was das Schrumpfen von Menschen anbelangt. Bei Maschinen sieht das anderes aus. Hier verzeichnet die Wissenschaft vielversprechende Fortschritte.
Der Kern der Handlung des Spielfilms „Die phantastische Reise“ (engl. Originaltitel „Fantastic Voyage“) ist schnell erzählt: Im Jahr 1965 läuft der tschechische Wissenschaftler Dr. Beneš in den Westen über, wird dabei jedoch Opfer eine Anschlags und lebensbedrohlich verletzt. Ein Blutgerinnsel im Gehirn muss entfernt werden, was auf konventionelle Weise unmöglich scheint. Eine neuartige Entwicklung erlaubt es allerdings, Menschen und Maschinen bis auf die Größe einer Mikrobe zu schrumpfen. Um das Leben von Dr. Beneš zu retten, wird ein Expertenteam und ein speziellen U-Boots miniaturisiert und in die Blutbahn des Patienten injiziert. Ein Wettlauf gegen die Zeit beginnt, weil sich Mensch und Maschine nach 60 Minuten auf Normalgröße wachsen und zuvor aus dem Körper geholt werden müssen.
Auf die Werkstoffkombination kommt es an
Eine spannende Geschichte, die sich in Wahrheit natürlich als Fantasterei herausstellt, zumindest was das Schrumpfen von Menschen anbelangt. Was den Einsatz von Miniaturmaschinen im Körper eines Menschen betrifft, stellt sich der Sachverhalt anders dar: Sie lassen sich zwar nicht buchstäblich schrumpfen, vielmehr werden sie unmittelbar in mikroskopisch kleiner Größe produziert, und zwar idealerweise aus einer Werkstoffkombination bestehend aus Metall und Kunststoff (Polymere).
Um eine Mikromaschine von der Injektionsstelle zu einer bestimmten Stelle im Körper zu bewegen, braucht es eine äußere Antriebskraft, in der Regel nutzt man Magnetfelder, um magnetische Metalle voranzutreiben. Um wiederum hinreichend weich, flexibel und beweglich zu sein sowie auch Arzneimittelwirkstoffe aufzunehmen und transportieren zu können, braucht es Polymere. Damit im Organismus nichts zurückbleibt, was Schaden anrichten könnte, hat sich das Polymer nach erfolgtem Einsatz aufzulösen, und alles, was übrig bleibt von der Intervention, sollte ausgeschieden werden.
Hochpräzise 3-D-Drucktechnik liefert den Schlüsse
Kern der ETH-Methode stellt die sogenannte dreidimensionale (3-D) Lithographie dar. Zur Erläuterung: Als Lithographie wird das älteste Flachdruckverfahren bezeichnet. Hierbei werden die Worte, Texte oder Bilder seitenverkehrt auf einen Stein (griech. Lithos) aufgetragen und in einer Presse mit Druck auf das Papier oder die Druckvorlage übertragen, und zwar in der richtigen Ausrichtung. Apropos: Bis 1930 wurde zahlreiche Drucksachen lithographisch hergestellt.
Bei der ETH-Methode wird also mittels hochpräziser 3-D-Drucktechnik einen mit feinsten Kanälen durchzogene Gussform im Mikrometermaßstab hergestellt; sie stellt das Negativ dar. Wo es erforderlich ist, füllen die Forscher mittels elektrochemischer Abscheidung Metalle ein, in andere Kanäle wird Kunststoff appliziert und erzeugen so das Positiv der Minimaschine, und zwar vollends, wenn die Gussform in einem Lösungsmittel aufgelöst wird.
Auf diese Weise ist es den ETH-Forschern nach eigenen Angaben winzige Vehikel mit Kunststoff-Chassis und magnetischen Metallrädern herzustellen, die sich über ein rotierendes Magnetfeld antreiben lassen, wahlweise auf einer Glasoberfläche oder, und zwar in Abhängigkeit vom jeweiligen Polymer, in oder auf der Oberfläche einer Flüssigkeiten.
Erste Mobilitätsversuche haben sich als erfolgreich und vielversprechend erwiesen, wie eine Video belegt. Bevor sich allerdings eine moderne Form der „phantastischen Reise“ durch den menschlichen Körper in der medizinischen Routine etablieren lässt, braucht es noch einiges an Forschungsaktivität: Die ETH-Wissenschaftler arbeiten derzeit zum Beispiel an der Weiterentwicklung ihre Zwei-Komponenten-Mikromaschinen, wobei sie den Einsatz unterschiedlicher Materialien und Werkstoffe zu testen gewillt sind. Obendrein werde versuchen, komplexere Formen und Maschinen herzustellen, und zwar auch solche, die sich beispielsweise zusammen- und wieder auffalten können. Ebenfalls sind die Forscher gewillt die Bandbreite ihrer miniaturisierten „Transporter“ zweckgebunden zu erweitern: Neben wirkstoffausschüttenden Fähren gehören zu künftigen Anwendungsmöglichkeiten Mikromaschinen, mit denen sich gesundheitsgefährliche Ausbuchtungen an Blutgefäßen, sogenannte Aneurysmen, behandelt oder auch andere Operationen durchführ lassen. Konkret vor Augen sehen die Forscher als Entwicklungsziel faltbare Stents, sprich diese röhrenförmige Gefäßstützen, die eingesetzt werden, um zum Beispiel verstopfte Gefäße offenzuhalten beziehungsweise einen erneuten Verschluss zu verhindern.
Referenz
Alcântara et al., Mechanically Interlocked 3D Multi-Material Micromachines, Nature Communications (2020), doi: 10.1038/s41467-020-19725-6 [https://doi.org/10.1038/s41467-020-19725-6]