Schlagkräftige Maschinen im Körper

Ein Mikroroboter, der elektrische Energie kabellos erzeugt, das war die Idee des ETH-Forsches Salvador Pané – und er hat sie mit seinen Kollegen umgesetzt, indem sie winzige Partikel herstellten, 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.

Pané beschäftigt sich seit Jahren mit so genannten 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 genannte 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.

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.