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Kleine, zitternde Haare, auch als Flimmerepithel bekannt, haben im menschlichen Körper eine entscheidende Funktion: Sie säubern die Lunge von Staub und Bakterien, sorgen dafür, dass Flüssigkeiten im Gehirn fließen und unterstützen die Bewegung der Eizellen. Wenn dieses feine System nicht richtig funktioniert, können Atemwegserkrankungen, Entwicklungsstörungen oder Schwierigkeiten bei der Fortpflanzung auftreten.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Intelligente Systeme haben erstmals künstliche Flimmervorrichtungen aus einem weichen Hydrogel hergestellt, die komplexe Bewegungen nahezu realistisch nachahmen. Die mikroskopisch kleinen Haare können einzeln angesteuert werden, schlagen mit einer Frequenz, die der ihrer biologischen Vorbilder ähnelt, und funktionieren sogar in Blutserum zuverlässig. Dies ist durch eine extrem niedrige elektrische Spannung möglich, die auch in biologischen Umgebungen als sicher gilt. Die Forschungsergebnisse wurden in einer Fachzeitschrift veröffentlicht.Nature.
Warum Flimmereinheiten für den menschlichen Körper unverzichtbar sind
Die Aufgabe der Flimmereinheiten ist in der Biologie bereits seit langer Zeit bekannt. Technisch war es jedoch schwierig, ihre feine, dreidimensionale Bewegung realistisch nachzuahmen. Frühere künstliche Systeme arbeiteten meist zu langsam, benötigten hohe Spannungen oder konnten nur einfache Bewegungsabläufe ausführen. Die neuen künstlichen Zilien beheben dieses Problem.
Die Roboter-Härchen bestehen aus einem äußerst weichen Hydrogel. Jedes einzelne hat einen Durchmesser von nur wenigen Mikrometern und kann bis zu 90 Mikrometer hoch sein. Somit befinden sie sich in der gleichen Größenordnung wie ihre natürlichen Vorbilder. Der wesentliche Unterschied liegt im Inneren des Stoffs. Das Gel besitzt winzige Poren im Nanometerbereich, durch die Ionen sehr schnell wandern können.
Wenn eine elektrische Spannung angelegt wird, bewegen sich diese Ionen gezielt durch das Material. Sie ziehen Wasser mit oder verdrängen es. Dadurch biegt oder dreht sich das Härchen kontrolliert. Bereits eine Spannung von 1,5 Volt ist ausreichend. Dieser Wert liegt unterhalb der Schwelle, bei der Wasser chemisch zerlegt wird. Das System bleibt stabil und wird als sicher angesehen, auch für Anwendungen in wässrigen oder biologischen Umgebungen.
Die Bewegung setzt innerhalb von Millisekunden ein. Die künstlichen Flimmertellen bewegen sich bis zu 40 Mal pro Sekunde. Dies entspricht genau dem Bereich, den natürliche Flimmertellen im menschlichen Körper erreichen.
“Die Anwendung elektrischer Signale zur Steuerung der Ionenbewegung hat sich in kleinem Maßstab als äußerst effektiv herausgestellt”, erklärt Erstautor.Zemin LiuDas Prinzip basiert auf Vorgängen im Körper, denn auch Muskeln bewegen sich, weil elektrische Signale Ionen verschieben.
[Jede einzelne Mikrozilie ist von vier winzigen Elektroden umgeben.] Jede einzelne Mikrozilie wird von vier kleinen Elektroden umgeben. Durch gezielte Aktivierung dieser Elektroden können sich die Mikrozilien im Raum bewegen, was komplexe und programmierbare Bewegungen jedes einzelnen Härchens ermöglicht.© MPI
Belastbar und erstaunlich langlebig
Neben der Geschwindigkeit überzeugt die Langlebigkeit. In Tests bewegten sich die künstlichen Zilien mehr als 330.000 Mal hintereinander. Danach betrug die Leistung noch etwa 70 Prozent des Ausgangswerts. Diese Belastung entspricht ungefähr einem Tag kontinuierlicher Bewegung natürlicher Zilien. Der Verschleiß bleibt gering, da keine chemischen Reaktionen stattfinden, sondern ausschließlich physikalische Prozesse im Inneren des Gels ablaufen.
“Due zu den nanometergroßen Poren reagieren unsere künstlichen Zilien äußerst schnell”, erläutert der Autor der Studie.Wenqi Hu. Gleichzeitig bleibt das Material formstabil. Die feine Elektronik, die die Spannungen steuert, stellt derzeit eher eine Grenze dar als das Hydrogel selbst.
Genauere Steuerung in engstem Raum
Jedes Haar kann einzeln aktiviert werden. Arrays mit Hunderten oder sogar Tausenden künstlicher Flimmereinheiten können gleichzeitig oder in entgegengesetzter Richtung arbeiten. Dies ist durch winzige Elektroden möglich, die direkt in flexible Trägermaterialien eingebaut sind.
Diese präzise Regelung ist nicht nur für die Technik von Vorteil. Sie ermöglicht zudem ein besseres Verständnis biologischer Prozesse. Bislang konnten natürliche Geißeln nur beobachtet werden. Mit den künstlichen Entsprechungen lassen sich Bewegungen gezielt verändern und ihre Auswirkungen systematisch untersuchen.
Künstliche Haare bewegen gezielt Flüssigkeiten
Besonders deutlich wird die Technik bei der Interaktion mit Flüssigkeiten. Die Haare können einzeln oder in Gruppen angesteuert werden. Je nach Reihenfolge der elektrischen Signale entstehen gerichtete Strömungen, Wirbel oder drehende Muster. In Experimenten bewegten sich kleine Partikel mit Geschwindigkeiten von etwa 50 bis 250 Mikrometern pro Sekunde.
Das System wurde nicht nur in Wasser, sondern auch in Kochsalzlösung sowie in biologischen Flüssigkeiten wie menschlichem Speichel, Serum oder Mausplasma getestet. In komplexeren Flüssigkeiten verringerte sich die Leistung zwar, die Bewegung blieb jedoch weiterhin steuerbar. Dies stellt einen bedeutenden Fortschritt für mögliche medizinische Anwendungen dar.
Wo die Haare von Robotern verwendet werden können
In der Medizin könnten solche Systeme beschädigte Flimmereizellen unterstützen oder ersetzen. Denkbar sind Hilfen bei chronischen Atemwegserkrankungen oder Störungen des Flüssigkeitstransports im Gehirn. Auch für dieFruchtbarkeitsmedizin ergeben sich neue Ansätze.
In der Technik stellen künstliche Zilien Bauelemente für Mikroroboter bereit. Sie könnten Flüssigkeiten vermischen, Medikamente transportieren oder als Antrieb für kleine Maschinen dienen. StudienleiterMetin Sitti erläutert den Fortschritt folgendermaßen: “Wir verfügen nun erstmals über eine Roboterplattform, mit der wir Zilien im Einsatz beobachten können – wie sie sich bewegen, zusammenarbeiten und Flüssigkeiten transportieren.”
Künstliche Flimmerhärchen aus Hydrogel reagieren auf kleine elektrische Spannungen und imitieren dadurch die Funktion natürlicher Zilien im menschlichen Körper. © Max Planck Institute for Intelligent Systems viaYouTube
Kurz zusammengefasst:
* Flimmerepithelzellen sind für zahlreiche körperliche Funktionen unverzichtbar, beispielsweise für die Reinigung der Atemwege, die Entwicklung des Gehirns und den Transport von Flüssigkeiten; bei Ausfall können schwere gesundheitliche Probleme entstehen.
* Künstliche Flimmerepithel aus einem weichen Hydrogel können diese Bewegungen heute nahezu realistisch nachahmen, reagieren auf sehr geringe elektrische Spannungen, schlagen bis zu 40 Mal pro Sekunde und bleiben auch nach Hunderttausenden von Bewegungen funktionsfähig.
* Die Technik bietet konkrete Möglichkeiten für die Medizin und Mikrorobotik, beispielsweise zur Unterstützung geschädigter Flimmerelemente, zur gezielten Bewegung von Flüssigkeiten im Körper oder als Antrieb für kleine medizinische Geräte.
Übrigens:Jahrzehntelang gelang es der Robotik nicht, Maschinen unter einem Millimeter wirklich eigenständig zu betreiben – genau an der Stelle, an der Reibung, Zähflüssigkeit und begrenzter Raum jede herkömmliche Technik behindern. Wie Wissenschaftler diese Grenze nun überschritten haben und warum sich die Bewegung im Mikromaßstab komplett neu denken lässt, erfahren Sie in unserem.Artikel.
Bild: © MPI
Dieser Artikel wurde zuerst von unserem Partner veröffentlicht:Smartup News