Klebefüße für den Darmroboter
Forscher haben eine kleine fernsteuerbare Kapsel entwickelt, die Patienten künftig schlucken sollen, damit sich der Arzt einen genauen Einblick in den Körper verschaffen kann.
- Kristina Grifantini
Seit einigen Jahren versuchen Medizintechnik-Forscher bereits, neuartige Methoden zu entwickeln, mit denen sie möglichst schmerzfrei in den Körper eines Patienten schauen können – von Sensoren zum Herunterschlucken bis hin zu magnetisch ausgelösten Pillenkameras. Wissenschaftler an der Carnegie Mellon University (CMU) haben nun einen klitzekleinen Roboter entwickelt, der genügend Haftkraft besitzt, um sich an der Darmwand zu verankern, dabei aber sanft genug vorgeht, dass Weichteile nicht beschädigt werden.
Das Gerät in Form einer Kapsel wird wie eine normale Pille geschluckt und bewegt sich durch den Körper, bis der Darm erreicht ist. Dann kann der Arzt mit Hilfe einer drahtlosen Fernsteuerung bestimmen, an welchem Punkt der Roboter seine Ärmchen ausfahren soll, um sich im Körper zu verankern. Das Prinzip eignet sich nicht nur für bildgebende Verfahren, sondern auch für Biopsien, die Anlieferung von Wirkstoffen, Wärmebehandlungen und andere Therapieformen "am Ort des Geschehens", hoffen die Forscher.
Pillenkameras, die Bilder aus dem Darm übertragen können, werden bereits praktisch eingesetzt. Allerdings lassen sich ihre Bewegungen von außen nicht kontrollieren. Doch genau das hätte viele Vorteile, meint Mark Schattner, Gastroenterologe am Memorial Sloan-Kettering Cancer Center, der die CMU-Studie kennt. "Anwendungsbereich Nummer eins wären Biopsien", meint er. Auch könne man mit dem Gerät womöglich Blutungen stoppen, wenn man Wunden damit abätzen oder lasern würde. "Das wäre therapeutisch sehr nützlich." Der aktuelle Prototyp ist derzeit allerdings noch nicht so weit, doch bereits die Fähigkeit, sich sicher im Körper zu verankern, ist ein erster wichtiger Schritt.
Dazu mussten die Forscher erst einmal ein Haftmittel finden, das sich mehrfach an Gewebe wie Darm, Speiseröhre, Magen, Herz und Niere befestigen lässt, ohne dass die Klebekraft nachlässt. Zwar existierten bereits starke biomedizinische Klebstoffe, sagt Metin Sitti, Professor und leitender Forscher am NanoRobotics Lab der CMU. Doch genau die seien nicht nachträglich wieder lösbar. Andere Versuche mit Klammern oder Haken können hingegen das Gewebe beschädigen. Deshalb mussten sich die Forscher etwas Neues einfallen lassen. Die von Sitti entwickelte Methode soll es nun erlauben, einen Roboter im Körper stets so zu bewegen, dass dieser keinen Schaden nimmt.
Dazu ließ sich das CMU-Team aus der Natur inspirieren. Manche Käferarten geben ein ölartiges Sekret auf ihre Fußhaare, um sicher an Oberflächen haften zu können. Ein ähnlich klebriges Mittel brachten die Wissenschaftler auch an den Füßchen ihres Roboters auf. "Das steigert die Haftkraft, weil eine zusätzliche Oberflächenspannung entsteht", sagt Sitti. Neben der Stärkung der Kapillarkräfte und der Bindekraft zwischen Molekülen sorgen die Sekrete auch noch dafür, dass Lücken auf rauen Oberflächen geschlossen werden.
Die Forscher verbanden im Versuch inzwischen drei kleine Roboterarme mit einer Standard-Pillenkamera und bedeckten dann mikroskopisch kleine Fasern auf den Klebeflächen mit einem biokompatiblen Silikonöl. Der Kapselroboter hat einen Durchmesser von einem Zentimeter und erreichten eine Maximallänge von drei Zentimetern. Die Füße, die sich auf Wunsch ausfahren lassen, sind 1,5 Zentimeter lang. Sie pressen sich an die Oberfläche des gewünschten Gewebes, erhöhen dort die Reibung und verankern den Roboter so. Das Öl verstärkte die Klebekraft um bis zu 25 Prozent verglichen mit einer trockenen Variante – gemessen jeweils an einer glatten Oberfläche. Auf einer etwas raueren Oberfläche steigerte sich dies noch: Die Klebekraft versechsfachte sich fast. Kürzlich demonstrierte das CMU-Team im Reagenzglas, dass sich der Roboter erfolgreich an einem Tierdarm anhaften konnte. Im Tierversuch wurde außerdem die Haftung an der Speiseröhre getestet.
"Eine Kapsel, die sich in Echtzeit kontrollieren lässt, ist ganz klar der nächste große Durchbruch bei solchen Systemen", meint Schattner. Aktuell bestimme der Körper des Patienten, wohin eine Pillenkamera treibe. "Alles, was man machen kann, sind Bilder. Therapeutisch ist die Technik nutzlos." Pillenkameras werden derzeit zur Überprüfung der Speiseröhre und verschiedener Darmbereiche verwendet – vor allem im Dünndarm sind sie beliebt.
Sittis Gruppe lässt sich nun zusätzlich von Geckofüßen inspirieren. Diese Tiere besitzen abgewinkelte Haare, die je nach Ausrichtung haften oder "loslassen" können. "Wir haben bereits solche Fasern geschaffen, bei denen in einer Richtung die Reibkraft sehr groß ist, in der anderen sehr klein", sagt Sitti. Die Technik soll demnächst auch beim Kapselroboter getestet werden. (bsc)
