Künstliche Zilien aus Hydrogel für präzise Mikrorobotik

Zilien sind mikrometerkleine Strukturen, die im menschlichen Körper zentrale Aufgaben erfüllen, etwa bei der Reinigung der Atemwege, der Reifung von Nervenzellen oder dem Transport der Eizelle. Sind sie geschädigt, kann dies zu Atemwegsstörungen, neurologischen Entwicklungsstörungen oder Unfruchtbarkeit führen. Vor diesem Hintergrund haben Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler künstliche Zilien aus Hydrogel entwickelt, die natürliche Bewegungsmuster mit hoher Präzision nachbilden.

Jede künstliche Zilie ist etwa 18 Mikrometer lang und hat einen Durchmesser von rund 2 Mikrometern. Hunderte dieser Mikroantriebe wurden auf einem flexiblen Substrat mit integrierten Elektroden angeordnet. Vier Elektroden um jede Zilie erzeugen ein elektrisches Feld, das die Ionen im Hydrogel gezielt bewegt und so kontrollierte Biege- oder Drehbewegungen ermöglicht.

„Im kleinen Maßstab hat sich die Verwendung elektrischer Signale zur Steuerung der Ionenbewegung als äußerst effektive und effiziente Methode erwiesen. Der menschliche Körper beispielsweise nutzt elektrische Muskelsignale, um die Verteilung von Ionen im Muskelgewebe zu steuern, wodurch Bewegung erzeugt wird“, sagt Zemin Liu, Erstautor der Studie. „Inspiriert von diesem Prinzip haben wir mikrometerkleine, ionengetriebene Hydrogele entwickelt. Genau wie menschliche Muskeln bewegen sich diese Hydrogele, wenn elektrische Signale die Ionen in ihrem Inneren steuern. Bei unserer Forschungsarbeit haben wir lediglich 1,5 Volt verwendet, was unterhalb der Elektrolyse-Schwelle in wässrigen Umgebungen liegt und damit völlig sicher ist, beispielsweise bei einer Anwendung im menschlichen Körper.“

Gefertigt wurden die Hydrogel-Zilien mithilfe der Zwei-Photonen-Polymerisation (2PP). Dabei entsteht eine feinporige Struktur mit nanometergroßen Kanälen, die eine schnelle Flüssigkeits- und Ionenbewegung erlaubt.

„Die Flüssigkeit in unserem Hydrogel bewegt sich sehr schnell, da wir winzige nanometerkleine Poren im gesamten Material geschaffen haben. Diese Poren wirken wie Miniaturautobahnen, auf denen die Flüssigkeit schneller und in größeren Mengen fließen kann, was zu stärkeren und effektiveren Bewegungen führt“, sagt Wenqi Hu, der die Bioinspired Autonomous Miniature Robot Group am MPI-IS geleitet hat.

In Tests absolvierten die künstlichen Zilien mehr als 330.000 Bewegungszyklen mit minimalem Verschleiß und funktionierten auch in biologischen Flüssigkeiten wie menschlichem Serum.

„In der Vergangenheit konnten Forschende nur beobachten, wie sich natürliche Zilien verhalten. Jetzt haben wir endlich eine Roboterplattform, mit der wir Zilien in Aktion untersuchen können“, so Metin Sitti, Präsident der Koç-Universität in Istanbul.

COMPAMED.de; Quelle: Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme