Medizinische Geräte nehmen Designtipps aus dem Tierreich auf

Das Tierreich hat von Millionen Jahren biologischer Evolution profitiert, um Prozesse und Eigenschaften an spezifische Bedürfnisse anzupassen. Mit einem als Bioinspiration bekannten Ansatz nutzen Wissenschaftler und Ingenieure Erkenntnisse aus der Biologie, um die heutigen technologischen Herausforderungen zu lösen und das Design neuer Materialien, Geräte und Strukturen zu optimieren.

Im medizinischen Bereich haben Forscher beispielsweise ein chirurgisches Bildgebungssystem entwickelt, das auf den erstaunlichen Augen der Fangschreckenkrebse basiert, eine Schutzdecke geschaffen, die es Benutzern ermöglicht, ihre Temperatur zu kontrollieren, indem sie die adaptiven Eigenschaften der Tintenfischhaut nachahmt, und einen Augeninnendruck erzeugt Sensor basierend auf Nanostrukturen mit optischen Eigenschaften, die erstmals in den Flügeln eines Schmetterlings entdeckt wurden.

Und diese Woche wurden zwei neue Forschungsstudien veröffentlicht, die Erkenntnisse aus der Biologie zum Wohle der menschlichen Gesundheit nutzen.

Zunächst das Schuppentier – das einzige Säugetier, das vollständig mit harten Schuppen bedeckt ist. Diese Schuppen verbinden sich mit der darunter liegenden Haut und nicht miteinander und überlappen sich in der Art eines Tannenzapfens, sodass sich das Schuppentier bei Gefahr zu einer Kugel zusammenrollen kann. Und es sind diese Maßstäbe, die Metin Sitti vom Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme und seine Mitarbeiter dazu inspirierten, einen weichen medizinischen Miniaturroboter zu entwerfen.

Ungebundene magnetische Softroboter bieten das Potenzial, minimalinvasive medizinische Eingriffe im Körper durchzuführen. Eines Tages könnten solche Roboter durch Magnetfelder in schwer zugängliche Regionen geführt werden, wo sie dann Medikamente abgeben oder Wärme erzeugen können. Durch lokale Erwärmung können Blutungen gestillt, Gewebe durchtrennt oder sogar Tumore abgetragen werden. Die Fernerzeugung von Wärme erfordert jedoch die Verwendung starrer metallischer Materialien, was die Compliance und Sicherheit von Soft-Robotern beeinträchtigen kann.

„Um diesen inhärenten Kompromiss zwischen effektiver Fernwärme über große Entfernungen und Compliance anzugehen, haben wir beobachtet, wie Schuppentiere in der Natur trotz ihrer Keratinschuppen, die um Größenordnungen härter und steifer sind als die darunter liegenden Gewebeschichten, immer noch flexible und ungehinderte Bewegungen ausführen können.“ indem sie die Keratinschuppen in einer überlappenden Struktur organisieren“, schreiben die Forscher in Nature Communications.

Vor diesem Hintergrund entwarfen und bauten Sitti und Kollegen einen 20 x 10 x 0,2 mm großen Roboter, der aus einer weichen Polymerschicht und einer von Schuppentieren inspirierten Schicht aus überlappenden Metallelementen besteht. Indem die Forscher den Roboter einem niederfrequenten Magnetfeld aussetzten, konnten sie ihn aufrollen und bewegen. Wenn der Roboter einem hochfrequenten Magnetfeld ausgesetzt wurde, lieferte er innerhalb von weniger als 30 s eine bedarfsgerechte Erwärmung (um über 70 °C) über große Entfernungen (mehr als 5 cm).

In Proof-of-Concept-Experimenten an Gewebephantomen zeigte das Team, dass ein rotierendes Magnetfeld von 65 mT einen nicht angebundenen Roboter betätigen und bewegen kann und dass die Heizwaage mit Bienenwachs am Roboter befestigte Ladung selektiv freigeben kann.

Um das klinische Potenzial des Roboters weiter zu beurteilen, simulierten die Forscher eine Blutung im Magen eines Ex-vivo-Schweines und zeigten, dass der Roboter zur Blutungsstelle navigieren und die Blutung mithilfe von Hitze stoppen konnte. Außerdem brachten sie Tumorsphäroide in direkten Kontakt mit den Heizschuppen, wodurch die Sphäroide bereits nach 5 Minuten Erhitzen bei 60 °C zerstört wurden.

„Es bleiben noch viele Fragen und technische Herausforderungen offen, die zwar überwunden werden können, aber mehr Zeit und Mühe erfordern. Dazu gehören der klinische Nutzen und die Praktikabilität des Einsatzes dieser Roboter in klinischen Szenarien, Fragen der Biokompatibilität, Kontrolle und Verfolgung“, sagt Erstautor Ren Hao Soon. „In meinem nächsten Projekt möchte ich diese ungebundenen Roboter weiter näher an das Krankenbett drängen. Ich hoffe, dass ich eng mit Klinikern zusammenarbeiten kann, um einen echten medizinischen Bedarf zu ermitteln, für den solche Roboter nützlich sein könnten.“

Der Blauringkraken ist winzig, hat eine leuchtende Farbe und ist eines der giftigsten Meerestiere der Welt. Sein Biss durchsticht die Schale seiner Beute und setzt dann Tetrodotoxin frei, ein lähmendes Neurotoxin. „Das räuberische Verhalten des Blauring-Oktopus hat uns zu einer Strategie zur Verbesserung der topischen Medikamente inspiriert“, schreibt ein Forschungsteam unter der Leitung der Sichuan-Universität und der Zhejiang-Universität in China.

Die topische Intragewebe-Medikation – eine Methode, bei der Medikamente über Mikronadeln in Gewebeoberflächen eingebracht werden – bietet schnelle Wirkung, hohe Bioverfügbarkeit des Medikaments und minimale Invasivität. Mit dem Ansatz kann beispielsweise das Tumorwachstum gehemmt oder die Heilung beschleunigt werden. Es bleiben jedoch noch Herausforderungen bestehen, etwa das Anhaften von Arzneimittelträgern an von Körperflüssigkeiten benetzten Weichteiloberflächen und die Kontrolle der Konzentration der Arzneimittelfreisetzung.

Um diese Hindernisse zu überwinden, haben der Erstautor Zhou Zhu und seine Kollegen ein Mikronadelpflaster entwickelt, das eine stabile Haftung an der Gewebeoberfläche und eine Wirkstoffabgabe durch aktive Injektion bietet. In „Science Advances“ stellen sie fest, dass die medikamentenfreisetzenden Mikronadeln auf eine Art und Weise wirken, „die von den Zähnen und der Giftsekretion des Blauring-Oktopus inspiriert ist“.

Die Forscher formten das Mikronadelpflaster aus einer Mischung aus Seidenfibroin und dem Hydrogel Pluronic F127 (Seiden-Fp) und fügten wärmeempfindliches PNIPAm-Hydrogel hinzu, um eine kontrollierte Wirkstofffreisetzung zu ermöglichen. Die resultierenden Hydrogel-Mikronadeln waren stark genug, um Weichgewebe oder die Schleimbarriere zu durchdringen.

Eine Herausforderung, insbesondere in einer feuchten Umgebung, besteht darin, das Pflaster stabil auf der Gewebeoberfläche zu halten. Das Team ahmte das Design der Saugnäpfe an den Tentakeln des Oktopus nach, schuf eine Basisschicht mit Hydrogel-Saugnäpfen und integrierte die Mikronadeln in der Mitte. Die Saugnäpfe haften am Gewebe sowohl durch Unterdruckfixierung als auch durch chemische Bindung mit Gewebeproteinen. Selbst nach längerer Zeit unter Wasser blieb das Silk-Fp-Pflaster fest auf der Gewebeoberfläche.

Um die Funktionalität des Pflasters zu testen, beluden die Forscher die Silk-Fp-Mikronadeln mit dem entzündungshemmenden Medikament Dexamethason-Natriumphosphat (DEX) oder dem Krebsmedikament 5-Fluorouracil (5-FU) und brachten die Pflaster zur Behandlung von Mundgeschwüren an frühe oberflächliche Tumoren bei Tieren.

Pinguin-Physik

Die Form und Stärke der Mikronadeln ermöglichte es ihnen, in das Geschwür oder den Tumor einzustechen. Nach dem Eindringen in das Zielgewebe erfassen die Mikronadeln die Körpertemperatur und sorgen innerhalb von zwei Stunden für eine schnelle Wirkstoffabgabe (da die Nadeln schrumpfen und das PNIPAm beim Erhitzen von einem hydrophilen in einen hydrophoben Zustand übergeht). Im Laufe der nächsten zwei Tage geben die Mikronadeln nach und nach das restliche Medikament ab, um die therapeutische Wirkung aufrechtzuerhalten.

Die Forscher fanden heraus, dass das Seiden-Fp-Mikronadelpflaster die Heilungsgeschwindigkeit von Geschwüren durch DEX-Freisetzung erhöhen oder das Tumorwachstum bei Beladung mit 5-FU fast vollständig stoppen kann. „Indem der entwickelte Seiden-Fp-MN den Blauring-Oktopus nachahmt, der durch den Panzer seiner Beute beißt und giftigen Speichel injiziert, könnte er aktiv Medikamente in Gewebe injizieren“, schreiben sie.