Smart Technologies für die Tumortherapie

Nanoroboter für die gezielte Verabreichung von Medikamenten in tiefem Gewebe

Aktuelle Mitglieder: Dr. Haoying Wang, Dr. Yue Gao, Yunfei Zhang

Hauptmitarbeiter: Prof. Alexander M. Leshansky, Technion, Israel

In unserer früheren Forschung haben wir den kleinsten Nanoroboter der Welt entwickelt, der in echtes biologisches Gewebe eindringen kann. Die Nanopropeller ahmen den Korkenzieherantrieb von Bakterien nach und haben einen kugelförmigen Kopf und einen schraubenförmigen Schwanz mit einem Durchmesser von ~500 nm, der perfekt zu den nanometergroßen Poren des anvisierten biologischen Gewebes passt. Die Propeller weisen ein magnetisches Moment in diametraler Richtung auf, und wenn sie unter einem rotierenden Magnetfeld angetrieben werden, ist die Rotation aufgrund ihrer spiralförmigen Form mit einer Translation gekoppelt. Unsere experimentellen Ergebnisse zeigen, dass ein Schwarm von Nanopropellern so gesteuert werden kann, dass er sich im Auge über Zentimeter hinwegbewegt und die Zielregion (Sehnervenkopf) mit einem Durchmesser von etwa 6 mm auf der Netzhaut erreicht. Eine wichtige Forschungsfrage ist, ob die aktiven Nanopartikel drahtlos gesteuert werden können, um in festes Tumorgewebe einzudringen und Krebsmedikamente effizienter zu verabreichen.

Magnetische Kontrollsysteme im menschlichen Maßstab

Aktuelle Mitglieder: Moonkwang Jeong, Ann-Sophia Mueller

Herkömmliche elektromagnetische Antriebssysteme haben oft ein begrenztes zugängliches Volumen, was den kontrollierbaren Arbeitsraum der Roboter für medizinische In-vivo-Anwendungen in menschlichem Maßstab einschränkt. In diesem Projekt entwickeln wir einen neuen magnetischen Antriebsaufbau, der aus einem Paar statischer Magnete und einem rotierenden Magneten besteht, der einen rotierenden Magnetfeldvektor auf einer virtuellen konischen Oberfläche in einem großen zugänglichen Volumen erzeugt. Der permanentmagnetische Aktuator benötigt weder einen teuren Leistungsverstärker noch ein Spulenkühlsystem und hat ein ausreichend großes zugängliches Volumen, das in Zukunft für einen menschlichen Patienten ausreicht. Das Projekt wurde auf der IEEE MARSS 2023 vorgestellt und erhielt eine Nominierung für den Preis „Best Student Paper“. 

Die Gruppe entwickelt neue Methoden des maschinellen Lernens zur genauen Lokalisierung und präzisen Steuerung der Mikroroboter in komplexen biologischen Umgebungen.

SMOL - Magnetische Lokalisierung von drahtlosen Geräten

Derzeitige Mitglieder: Felix Fischer, Dr. Liyuan Tan, Dr. Haoying Wang

Ehemaliges Mitglied: Dr. Christian Gletter

Eine häufige Herausforderung für aktuelle minimal-invasive medizinische Instrumente und Implantate ist die zuverlässige und drahtlose Verfolgung ihrer Positionen tief im menschlichen Körper. Moderne Bildgebungsverfahren wie Ultraschall, MRT und Fluoroskopie/CT haben Schwierigkeiten, die dreidimensionale Position und Orientierung von Mikrogeräten kontinuierlich, drahtlos, sicher und genau zu überwachen.

Wir haben eine magnetische Lokalisierungsmethode („SMOL“) entwickelt, welche einen kleinskaligen Magneten an einem Miniaturbalken koppelt um einen mechanischen Resonator zu bilden. Dank des passiven Designs sind keine Batterien oder Drähte erforderlich, und das Gerät kann bis in den Millimeterbereich miniaturisiert werden, mit einer großen Messtiefe von bis zu 12 cm und einer sehr hohen Genauigkeit und Präzision von unter 1 mm. Die Methode ermöglicht eine räumliche Verfolgung in Echtzeit für Mikroroboter sowie für minimal-invasive chirurgische Werkzeuge und medizinische Implantate.

Drahtlose Arzneimittelimplantate auf Abruf

Derzeitige Mitglieder: Dr. Jiyuan Tian

Ehemaliges Mitglied: Dr. Yangchao Zhou

Die bedarfsgesteuerte Verabreichung von Medikamenten ist für die Behandlung chronischer Krankheiten unerlässlich. Das Medikament wird genau dann freigesetzt, wenn es benötigt wird, wodurch seine Wirksamkeit erhöht und die Nebenwirkungen minimiert werden. Die meisten modernen Methoden der Medikamentenabgabe beruhen jedoch auf einer langsamen und unkontrollierbaren passiven Diffusion. Aktive Verabreichungsmethoden, wie thermopneumatische Pumpen und elektromagnetische Ventile, wurden erst kürzlich entwickelt, leiden aber immer noch unter der langsamen Reaktion und der Größe der Geräte. Wir haben ein miniaturisiertes mikrofluidisches Gerät für die drahtlos gesteuerte, ultraschnelle aktive Medikamentenabgabe entwickelt, das von einer hochfrequent oszillierenden Fest-Flüssig-Grenzfläche angetrieben wird. Die Oszillation erzeugt eine akustische Strömung im Medikamentenreservoir, die ein elastisches Ventil öffnet, um das Medikament mit einer sehr schnellen Reaktionszeit in der Größenordnung von 1 ms abzugeben, mehr als drei Größenordnungen schneller als der Stand der Technik. 

Akustisches Hologramm für kontaktlose Zellmanipulation

Aktuelle Mitglieder: Dr. Meng Zhang

Kollaborationspartner: Prof. Zhichao Ma, Shanghai Jiaotong Universität, China

Wir haben einen grundlegend neuen Ansatz entwickelt, der die Erzeugung komplexer 3D-Ultraschallfelder mit viel höherer Komplexität ermöglicht. Diese Arbeit wurde in der Nature veröffentlicht. Wir haben eine 3D-gedruckte hochstrukturierte Phasenplatte - das akustische Hologramm - verwendet, um beliebig geformte akustische Druckfelder zu erzeugen. Eine ebene Welle, die von einem einzelnen Schallkopf kommt und das akustische Hologrammelement durchläuft, erfährt eine Phasenmodulation über ihre Wellenfront. Das 3D-gedruckte akustische Hologramm kann fein strukturiert werden und so beugungsbegrenzte, beliebig geformte akustische Druckfelder von bisher unerreichter Komplexität erzeugen. Kürzlich haben wir auch ein neues MEMS-Gerät für die dynamische Modulation eines akustischen Hologramms entwickelt und die Fähigkeit demonstriert, ein Ultraschallfeld zur drahtlosen Manipulation von weichen Mikropartikeln und zur Anordnung von Zellen zu nutzen.

3D-Drucken von In-vitro-Tumormodellen

Aktuelle Mitglieder: Moonkwang Jeong, Ann-Sophia Müller

Ehemalige Mitglieder: Dr. med. Xiangzhou Tan, Dr. Eunjin Choi, Nurcemal Atmaca, Dandan Li

Kollaborationspartner: Prof. Arkadiusz Miernik, Abteilung für Urologie, Universitätsklinikum Freiburg

Die additive Fertigung ermöglicht das Design und die Herstellung von Objekten mit komplexen dreidimensionalen Formen, die mit herkömmlichen subtraktiven Bearbeitungsmethoden nicht hergestellt werden können. Das Forschungsprojekt zielt darauf ab, ein Verfahren für den 3D-Druck eines weichen Druckmaterials zu entwickeln, das gleichzeitig eine hohe räumliche Auflösung und eine große Ähnlichkeit mit echtem biologischem Gewebe aufweist. Wir demonstrieren die Bandbreite möglicher Anwendungen durch die Herstellung von In-vitro-Organmodellen mit einer Auflösung von einigen zehn Mikrometern, einschließlich hohler verzweigter Netzwerke, die Blutgefäße darstellen, unter Verwendung von Materialien wie Gelen, die weich und biokompatibel sind. Die Methode kann eine realistische, komplexe 3D-Umgebung mit Zellen und extrazellulären Matrizen erzeugen, die in großem Umfang für In-vitro-Experimente zum Testen neuer biomedizinischer Geräte und Roboter eingesetzt werden kann.

Cyber-physikalische Organmodelle für die chirurgische Simulation

Aktuelle Mitglieder: Ann-Sophia Müller, Moonkwang Jeong

Ehemaliges Mitglied: Do Yeon Kim

Künstliche Intelligenz (KI) hat viele Bereiche revolutioniert, wie z. B. Computer Vision und die Verarbeitung von Sprache. Diese nützlichen Bereiche haben gemeinsam, dass die verfügbaren Daten im Überfluss vorhanden, standardisiert, zugänglich und relativ günstig zu erhalten sind. Wenn jedoch ähnliche Ansätze des maschinellen Lernens auf biomedizinische Probleme angewandt werden, besteht eine große Herausforderung darin, eine große Menge an Daten unter realistischen Bedingungen zu erhalten. 

Wir haben einen digitalen Zwilling menschlicher Organe entwickelt, der die Vorteile von physischen und Cybermodellen kombiniert, um die Erfassung schwer zu beschaffender biomedizinischer Daten unter realistischen chirurgischen Bedingungen zu erleichtern. Wir haben eine vollautomatische Pipeline für die quantitative Ergebnisbewertung in chirurgischen Trainings entwickelt. Zum Beispiel mit dem Schwerpunkt auf der transurethralen Resektion der Prostata (TURP) und der transurethralen Entfernung von Blasentumoren (TURBT). Ein kundenspezifischer Organscanner und Algorithmen für maschinelles Lernen werden entwickelt, um die Organphantome zu vermessen und Fehler zu lokalisieren, wodurch quantitative Daten zur Beschleunigung der Ausbildung von Chirurgen und Operationsrobotern bereitgestellt werden.