Eine neue Klasse synthetischer Materialien könnte die moderne Medizin revolutionieren

Die moderne Medizin verändert sich laufend durch kontinuierliche Fortschritte bei der Entwicklung von Werkstoffen und Technologien. Metamaterialien werden künstlich hergestellt und besitzen Eigenschaften, die natürlich vorkommende Werkstoffe nicht vorweisen. Sie werden speziell entwickelt, um die spezifischen Eigenschaften für ein bestimmtes Produkt zu bieten. Doch nachdem das Metamaterial produziert wurde, bleiben seine Eigenschaften unveränderlich.

Genau dort setzte das EU-finanzierte Projekt ABIOMATER (Magnetically actuated bio-inspired metamaterials) an. Seit dem Projektstart 2015 konnte ABIOMATER Metamaterialien entwickeln, deren Eigenschaften sich über ein Magnetfeld ferngesteuert verändern lassen. Mit diesen Metamaterialien konnten die Projektpartner schwimmende Miniaturvorrichtungen entwickeln, die den Weg zu neuen Anwendungen in den technologischen Bereichen Lab-on-a-Chip und Mikrofluidik ebnen könnten. Ihre Erkenntnisse wurden in einem Artikel der Fachzeitschrift „Physics of Fluids“ veröffentlicht.

Die entwickelten makroskopischen Schwimmvorrichtungen bestehen aus einem harten ferromagnetischen Kopfstück und einem flexiblen Endstück und sind zwischen 1 mm und 12 mm lang. Durch das Endstück können sich die Schwimmer in eine bestimmte Richtung bewegen, wenn ein Magnetfeld angelegt wird. Die Forscher konnten nachweisen, dass die Geschwindigkeit des Schwimmers durch Manipulationen der Stärke (bis 3,5 mT) und Frequenz (30-170 Hz) des externen Magnetfeldes steuerbar ist.

Eine Revolution in der Diagnostik und Arzneimittelverabreichung

Zwar existieren ähnliche Vorrichtungen bereits, doch dies ist nun der erste Schwimmer, der im industriellen Maßstab hergestellt werden könnte – kostengünstigere Mikrofluidikchips wären damit in der Zukunft denkbar. Diese Vorrichtungen könnten eingesetzt werden, um Arzneimittel über flüssige Umgebungen gezielt in bestimmten Körperregionen zu verabreichen. Damit wären bedeutende medizinische Durchbrüche denkbar.

„Die Weiterentwicklung dieser Technologie könnte die Praxis der Medizin grundlegend verändern. Die Schwimmer könnten eines Tages dazu dienen, Arzneimittel über die Blutgefäße gezielt in die entsprechenden Körperregionen zu transportieren“, so der Mitautor der Studie, Professor Feodor Ogrin von der University of Exeter in einem Nachrichtenartikel auf der Website des Projektkoordinators. „Vorstellbar sind für uns auch mikroskopische Versionen der Vorrichtung zum Einsatz in der Lab-on-a-Chip-Technologie, in der komplexe Vorgänge wie die Diagnose von Krankheiten, die normalerweise im Labor durchgeführt werden, stattdessen auf einem einfachen Chip durchgeführt werden. Damit ließe sich die Zeit bis zur Behandlung drastisch verkürzen – möglicherweise sogar lebensrettend.“

Das Forscherteam untersuchte diese Form der Nutzung der Schwimmvorrichtungen und widmete sich dabei vor allem der Frage, ob die Schwimmer als integrierte Mikrofluidikpumpen in Lab-on-a-Chip-Systemen geeignet wären. In der Mikrofluidik werden häufig Hochdruckpumpen benötigt, um Flüssigkeiten durch Mikrokanäle zu leiten. Das Team zeigte, dass sich die Schwimmer ohne Schwierigkeiten modifizieren ließen, um als Pumpe zu fungieren – potenziell eine wirksame Methode zur Manipulation von Flüssigkeiten auf dieser Ebene.

ABIOMATER kommt im April 2019 zum Abschluss. Die entwickelten Prototypen werden voraussichtlich unmittelbare Anwendungen in verschiedenen technologischen Bereichen von Lab-on-a-Chip-Systemen bis zu biomedizinischen Implantaten finden. Mit den erzielten Erfolgen legt ABIOMATER den Grundstein für eine erschwinglichere Medizin.

Weitere Informationen:
ABIOMATER-Projektwebsite