Intelligente, biologisch abbaubare Mikroroboter für die Medizin der Zukunft
Weiche, intelligente und autonome Miniroboter, die mikroskopisch klein oder nur wenige Millimeter groß sind, könnten zukünftig ohne Skalpell und chirurgische Eingriffe in den menschlichen Körper eingeführt werden. Sie könnten von innen an Organe und Körperteile gelangen, um Medikamente wie Chemotherapeutika präzise und in kleinsten Dosen zu verabreichen oder Operationen und Biopsien durchzuführen. Entwickelt wurden sie von einem Forschungsteam der Fakultät für Ingenieurwesen der Freien Universität Bozen unter der Leitung von Prof. Niko Münzenrieder mit Unterstützung von Forscher Giuseppe Cantarella von der Universität Modena e Reggio Emilia sowie dem Team des Multi-Scale Robotics Lab der ETH Zürich unter der Leitung von Prof. Bradley Nelson.
Es handelt sich um ein internationales Projekt mit dem Namen „Flexibots“, das vom Schweizerischen Nationalfonds und der Autonomen Provinz Bozen gefördert wird. Es vereint das technische Fachwissen der unibz – Labor für flexible Elektronik – in der Entwicklung und Herstellung kaum wahrnehmbarer Elektronik mit dem Know-how des Schweizer Teams in der Miniaturisierung von Robotern, die in der Lage sind, sich in komplexen Mikro-Umgebungen zu bewegen. Das im Februar 2021 gestartete Forschungsprojekt ist nun abgeschlossen und eröffnet zukunftsweisende Anwendungsmöglichkeiten - insbesondere im medizinischen Bereich, aber auch darüber hinaus. Die flexiblen Miniroboter könnten auch eingesetzt werden, um das Innere von Maschinen wie Turbinen oder Motoren zu inspizieren, und zwar auf engstem Raum, der für Menschen oder Endoskope nur schwer zugänglich ist.
Details der Forschung
Die von den Südtiroler und Schweizer Forschenden entwickelten Mikroroboter sind weich, flexibel, biokompatibel, rekonfigurierbar und drahtlos. Sie können auf Umweltreize reagieren, Informationen verarbeiten und kabellos kommunizieren. Diese winzigen Geräte, oft nur wenige Millimeter oder noch kleiner, können sich problemlos in Flüssigkeiten wie Blut bewegen und eine Vielzahl von Aufgaben erfüllen. In einigen Fällen sind sie auch biologisch abbaubar. Das bedeutet, dass sie in den menschlichen Körper eingeführt werden könnten, um dort ihre Aufgabe zu erfüllen und sich anschließend in den Körperflüssigkeiten aufzulösen.
Dank dieser Eigenschaften bieten sie hervorragende Möglichkeiten für biomedizinische Anwendungen wie minimalinvasive Therapien, Zellmanipulation und Gewebezüchtung. Die Roboter werden durch Magnetfelder angetrieben und gesteuert. Aufgrund ihrer geringen Größe und ihrer besonderen chemischen, biologischen und magnetischen Eigenschaften werden sie aus funktionellen Polymeren und Verbundmaterialien unter Verwendung fortgeschrittener 3D-Mikrofabrikationstechniken hergestellt.
Die Sensoren
Herkömmliche elektronische Komponenten sind zu groß für diese Mikroroboter. Daher hat das Team der Freien Universität Bozen elektronische Dünnschichtkomponenten direkt in die Roboter integriert. Diese nur wenige Nanometer dünnen Bauteile sind ultraleicht und passen sich optimal an die individuellen Formen an. Sie werden im Labor für flexible Elektronik an der Fakultät für Ingenieurwesen der unibz im NOI Techpark hergestellt, charakterisiert und auf halbfertigen Mikrorobotern installiert. Anschließend werden die Roboter an der ETH Zürich fertiggestellt.
„Die Herstellung von Elektronik auf so kleinen, temperaturempfindlichen Maschinen ist eine Herausforderung“, erklärt Prof. Niko Münzenrieder, der die Forschungsarbeiten in Bozen leitete. „Daher haben wir eine spezielle Technologie entwickelt, um Hochleistungselektronik auf der Basis von Oxid-Halbleitern zu realisieren. In den vergangenen Jahren ist es uns gelungen, eine Vielzahl aktiver elektronischer Komponenten wie Sensoren, Transistoren und Antennen direkt in die Mikroroboter zu integrieren. Diese Innovationen ermöglichen es den Robotern, ihre Umgebung wahrzunehmen und zu kommunizieren, was uns dem möglichen Einsatz von Mikrorobotern in medizinischen Anwendungen immer näherbringt“.
„Dieses Projekt ist ein klares Beispiel für die Strategie der Fakultät für Ingenieurwesen, Technologien zu entwickeln, die zur Verbesserung der Lebensqualität, der Sicherheit und der Gesundheit von Nutzer:innen und Betreiber:innen beitragen“, erklärt der Dekan der Fakultät für Ingenieurwesen der unibz, Prof. Andrea Gasparella. „Diese Strategie baut auf den Kompetenzen und der Exzellenz unserer Fakultät sowie auf unserem Netzwerk führender Forschungsinstitutionen auf nationaler und internationaler Ebene auf“.
Related people: Niko Münzenrieder, Andrea Gasparella