Janus-Partikel: Winziger Medikamentenkurier

24. März 2016
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Mikro- und Nanoroboter, die Tumore höchstpräzise mit Medikamenten angreifen: So könnte Krebsbekämpfung in Zukunft aussehen. Die Grundlagen für diese futuristische Krebstherapie sollen magnetoelektrisch gesteuerte Janus-Partikel liefern.

Salvador Pané und seinen Kollegen ist es gelungen, winzige Partikel herzustellen, die durch Magnetfelder präzise gesteuert werden und zudem selbst elektrische Felder erzeugen. Die Besondere daran ist, 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.

Deformation erzeugt elektrisches Feld

Pané beschäftigt sich seit Jahren mit 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, die piezolektrische Schicht, unter Druck und erzeugt dadurch ein elektrisches Feld.“

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Ein Mikroroboter wird mit einem Magnetfeld zu einer Zelle gesteuert (l.). Durch eine Veränderung des Magnetfelds – dargestellt als Kompassnadel – erzeugt der Roboter ein elektrisches Feld. © ETH Zürich / Salvador Pané

Diesen Effekt machen sich die Forscher der ETH-Zürich zunutze: Sie haben die Mikropartikel auf einer Seite mit zwei verschiedenen Metallschichten aus magnetostriktivem Kobalt-Ferrit und piezoelektrischem Bariumtitanat ummantelt. 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.

Medikamente zum Ziel bringen

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.

Bis die Mikroroboter tatsächlich als Transportmittel für Medikamente eingesetzt werden können, sind viele offene Fragen zu beantworten. So ist noch nicht geklärt, welches die effizienteste Struktur respektive Materialkombination mit den höchsten magnetoelektrischen Eigenschaften ist. Zudem müssen die Mikroroboter hinsichtlich ihrer Verträglichkeit im menschlichen Körper geprüft werden. Als Beispiel nennt der Forscher die Korrosion: „Sie wird in diesem Mikro- und Nanobereich oft übersehen, muss aber genau erforscht werden.“ Korrosion kann nämlich nicht nur die Funktion eines Geräts beeinträchtigen, sondern auch Verunreinigungen verursachen. „Wir müssen also genau hinschauen, wenn wir eine Technologie zu einer medizinischen Anwendung bringen wollen“, betont der Forscher.  Sein Team beschränkt sich deshalb bei der Entwicklung von Mikro- und Nanorobotern nicht nur auf die technische Machbarkeit, sondern erforscht auch die Verträglichkeit, Toxizität und Effizienz der Roboter.

Originalpublikation:

Magnetoelectric micromachines with wirelessly controlled navigation and functionality.
Xiang-Zhong Chen et al.; Materials Horizons, doi: 10.1039/C5MH00259A; 2016

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