Kleiner als ein Reiskorn, fünfmal einsetzbar: Forschungsteam entwickelt vielseitigen Operationsroboter

Forscher:innen der Nanyang Technological University (NTU) in Singapur haben einen Mikroroboter entwickelt, der gerade einmal 4,4 Millimeter lang ist und dennoch fünf verschiedene chirurgische Aufgaben übernehmen kann: Er bewegt sich durch Körpergewebe, schneidet biologisches Material, gibt Medikamente ab, entnimmt Gewebeproben und erzeugt gezielte Wärme. Zwischen diesen Funktionen wechselt er in unter einer Sekunde, ohne Kabel, Elektronik oder Batterien an Bord. Auf einer Fingerkuppe hätten mehrere dieser Roboter Platz. Die Studie erschien im Fachjournal Advanced Materials und ist das Ergebnis von sieben Jahren Forschungsarbeit unter der Leitung von Assoziiertem Professor Lum Guo Zhan von der School of Mechanical and Aerospace Engineering der NTU.

Ein zentrales Problem der Miniaturrobotik gelöst

Magnetisch gesteuerte Mikroroboter gelten seit Jahren als vielversprechende Plattform für minimalinvasive Eingriffe in schwer zugängliche Körperregionen. Das Grundprinzip: Externe Magnetspulen lenken winzige Geräte durch den Körper, ohne große Schnitte oder sperrige Instrumente. Das entscheidende Problem bisheriger Systeme war deren Spezialisierung. Ein Roboter konnte Medikamente transportieren oder Gewebe entnehmen, aber selten beides, geschweige denn fünf Funktionen. Magnetfelder erfassen typischerweise das gesamte Gerät auf einmal, sodass sich alle Teile gleichzeitig bewegen.

Das NTU-Team unter der Leitung von Assoziiertem Professor Lum Guo Zhan hat dieses Problem durch ein neu entwickeltes, umprogrammierbares Magnetmodul im Inneren des Roboters gelöst. Es lässt sich in verschiedene Richtungen magnetisieren, entmagnetisieren und neu ausrichten, wobei jede Ausrichtung eine andere Betriebsart freischaltet. Zusätzlich haben die Forscher:innen verschiedene Bereiche des Roboters so konstruiert, dass sie auf dasselbe Magnetfeld unterschiedlich reagieren. Nur ein Abschnitt verändert seine Form, während die übrigen Teile in ihrer aktuellen Position verharren.

Aufbau und Materialien

Der Roboter besteht aus weichen Silikonmaterialien, die in der Soft-Robotik verbreitet sind: PDMS und Ecoflex. Eingebettet in diese Materialien sind magnetische Mikropartikel mit einem Durchmesser von jeweils fünf Mikrometern. Über die genaue Anordnung und Magnetisierung dieser Partikel steuern externe Spulen den Roboter mit vergleichsweise schwachen Magnetfeldern ferngesteuert. Im Gegensatz zu manchen anderen Miniaturrobotern, die eher einer formlosen Masse ähneln, besitzt das NTU-Modell einen festen, aber flexiblen Körper. Das macht ihn robuster und vereinfacht die Bergung nach einem Eingriff, ein Aspekt, der für jeden zukünftigen klinischen Einsatz relevant ist.

Hinzu kommt eine erweiterte Bewegungsfreiheit: Die meisten magnetischen Mikroroboter verfügen über fünf Freiheitsgrade, also Bewegungen entlang drei Achsen und Rotationen in zwei Richtungen. Der NTU-Roboter ergänzt diese um eine sechste Bewegungsform, das Rollen um die eigene Längsachse. Das gibt ihm feinere Kontrolle in engen, unregelmäßigen Körperkanälen.

Tests an biologischem Gewebe

Im Labor testete das Team den Roboter an Gelatinemodellen und Hühnerleber. Er schnitt erfolgreich durch Gewebe, gab Partikel als Medikamentensimulat ab, entnahm und speicherte Gewebeproben und erzeugte lokale Wärme. Letztere entsteht, wenn ein hochfrequentes Wechselmagnetfeld die Materialien im Inneren des Roboters zum Erwärmen bringt, ein Ansatz, der in der Krebsforschung unter dem Begriff magnetische Hyperthermie untersucht wird. Das Prinzip: Hitze soll Tumorgewebe gezielt schädigen, ohne umliegendes gesundes Gewebe nennenswert zu belasten. Die Biokompatibilitätstests verliefen ermutigend: Mehr als 99 Prozent menschlicher Hautzellen überlebten den Kontakt mit den Robotermaterialien unter Laborbedingungen.

Noch ein weiter Weg zur Klinik

Der aktuelle Prototyp ist kein autonomes System. Ärzt:innen müssten ihn aktiv steuern, was die Forscher:innen eher als Vorteil denn als Einschränkung sehen. Dennoch bleibt der Weg bis zur klinischen Anwendung lang: Bislang operiert der Roboter ausschließlich unter Laborbedingungen mit externen Magnetspulen, nicht in lebenden Patient:innen. Das Team arbeitet deshalb daran, künftige Versionen mit Bildgebungstechnologien und Sensorsystemen zu kombinieren und realistischere Organmodelle zu entwickeln, die das mechanische Verhalten menschlicher Gewebe besser nachbilden. Assoc. Prof. Lum kooperiert außerdem mit Chirurg:innen, um zu verstehen, wie solche Systeme in reale klinische Abläufe integriert werden könnten.

Das langfristige Ziel der Gruppe ist klar: Statt mehrerer Instrumente durch Katheter oder Schnitte einzuführen, sollen Mediziner:innen künftig mit einer einzigen miniaturisierten Plattform Diagnose, Behandlung, Probenentnahme und Therapie in einem einzigen Eingriff durchführen können. Dr. Yeong Leong Litt, Neurologe am National University Hospital in Singapur, kommentierte die Arbeit unabhängig und sieht in solchen Systemen das Potenzial, Teile der interventionellen Radiologie zu ersetzen und neue Therapieformen in der Medizin zu eröffnen.

via Nanyang Technological University