An der Uni Stuttgart forscht Tian Qiu an der Hightechmedizin der Zukunft. Seit Juli leitet der junge Wissenschaftler eine neue Arbeitsgruppe, die winzige Roboter für neue Therapien entwickelt. Ein Besuch im Labor.
Stuttgart - Tian Qiu hält sich nicht mit langen Vorreden auf. „Nehmen Sie Platz“, sagt der junge Wissenschaftler und deutet auf einen Stuhl. Schon sitzt er am Rechner und startet eine Powerpoint-Präsentation. Mit bloßem Auge hätte man ohnehin keine Chance, die winzigen Strukturen zu sehen, mit denen sich der 32-Jährige beschäftigt. Über den Bildschirm flimmern schematische Darstellungen und mikroskopische Aufnahmen sogenannter Nanopropeller. Mit ihrer gewundenen Form ähneln sie Korkenziehern. Sie sind allerdings viel kleiner: Jeder einzelne misst an der dicksten Stelle rund 500 Nanometer (Milliardstel Meter). Ein menschliches Haar ist ungefähr zweihundertmal so dick.
Die Winzlinge könnten die Medizin revolutionieren, denn sie lassen sich mithilfe von Magnetfeldern bewegen und steuern. Sie könnten zum Beispiel Medikamente direkt dorthin bringen, wo sie wirken sollen. Das erinnert an den Science-Fiction-Film „Die Fantastische Reise“ aus dem Jahr 1966 – in dem Streifen fahren Forscher mit einem winzigen U-Boot durch den Körper eines Menschen, um eine komplizierte Hirnoperation vorzunehmen. Und die Chancen stehen nicht schlecht, dass diese Vision schon in wenigen Jahren Wirklichkeit werden könnte – allerdings ohne eine geschrumpfte Besatzung an Bord.
„Es gibt viele interessante Stellen im menschlichen Körper, die man ansteuern könnte“, sagt Tian Qiu. So ist es ihm und Forschern der Uni Tübingen bereits gelungen, die Nanopropeller durch den Glaskörper von Schweineaugen bis zur Netzhaut zu manövrieren – noch ohne Arznei im Gepäck. Die winzigen Helfer werden auch als Nanoroboter bezeichnet.
Nanoroboter bohren sich durch
Sie sehen nicht nur aus wie Korkenzieher, sie bewegen sich auch so ähnlich: Sie drehen sich um ihre eigene Achse und bohren sich dabei regelrecht in das Gewebe des Glaskörpers hinein – ohne jedoch Schäden hervorzurufen. Der Glaskörper von Augen besteht zwar zu 98 Prozent aus Wasser, doch Kollagenfasern und Hyaluronsäure verleihen ihm eine zähe, klebrige Struktur. Anders als bei einer Flüssigkeit können Objekte deshalb nicht einfach hindurchschwimmen.
Dass die Miniroboter dennoch mit einer Geschwindigkeit von zwei Zentimetern pro Stunde vom Fleck kommen, verdanken sie neben ihrer Form einer teflon-artigen Antihaftbeschichtung. Bei der Entwicklung stand eine insektenfressende Kannenpflanze der Gattung Nepenthes Pate. Deren als Fallgruben ausgebildete Blätter sind mit einem ähnlichen Material beschichtet. Beutetiere gleiten darauf aus und stürzen in die Kannen. Zehn Jahre dürfte es noch dauern, bis die Nanoroboter reif für die praktische Anwendung sind, schätzt Tian Qiu. Grundsätzlich könnten sie in vielen Bereichen der Medizin eingesetzt werden – etwa zur zielgenauen Behandlung von Tumoren.
In den vergangenen sechs Jahren hat der in Peking geborene Wissenschaftler am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart-Büsnau geforscht. Dort befinden sich derzeit auch noch viele Laborgeräte, die Qiu und seine Kollegen für ihre Arbeit brauchen.
Magnetfelder geben die Richtung vor
In einem Raum steht die Vakuumkammer, in der die Nanoroboter produziert werden. In dem Metallkasten wird das Ausgangsmaterial – Siliziumdioxid und Eisen – in einem starken Vakuum verdampft. Darüber befindet sich eine Siliziumscheibe, auf der sich die Moleküle niederschlagen. Durch die Drehung der Scheibe, die zudem in einem bestimmten Winkel geneigt ist, entsteht die charakteristische Korkenzieherstruktur der Miniroboter. Der Eisenanteil ist Voraussetzung dafür, dass sich die Nanopropeller mithilfe von Magnetfeldern in eine bestimmte Richtung bewegen lassen.
Derzeit ist Qiu mit dem Umzug an die Universität Stuttgart beschäftigt. Dort hat er im Juli die Leitung einer neuen Arbeitsgruppe übernommen, die sich im Rahmen der Forschungskooperation Cyber Valley mit minimalinvasiven biomedizinischen Mikrosystemen befasst. Dabei geht es nicht nur um Nanoroboter, sondern auch um die Entwicklung neuer Endoskope, die etwa die Diagnose und Behandlung von Harnwegserkrankungen verbessern sollen. „Die kleinsten Endoskope, die heute in der Urologie eingesetzt werden, haben einen Durchmesser von drei Millimetern“, erläutert Qiu. Die Systeme, an denen sein Team arbeitet, sind nur einen Millimeter dick. Das soll die Anwendung für Patienten besonders schonend machen.
Qui hält eine Petrischale hoch, in der ein derartiges Miniwerkzeug zu sehen ist, wobei man dazu fast eine Lupe braucht. Möglich macht die Miniaturisierung ein neues Antriebskonzept. Bei bisherigen Endoskopen werden die Bewegungen des Chirurgen durch Drähte auf die Werkzeuge an der Spitze übertragen. Qiu und sein Team setzen dagegen auf sogenannte aktive Oberflächen. Diese sind mit winzigen Bläschen besetzt, die je nach Größe unterschiedlich schwingen, wenn sie durch Ultraschall angeregt werden. Dadurch entsteht eine Strömungskraft, mit der sich das Endoskop drahtlos bewegen lässt. „An einer Kaninchenblase wurde das Endoskop bereits erfolgreich eingesetzt“, berichtet Qiu.
Organkopien sollen sich so echt wie möglich anfühlen
Die Harnblase, die der Forscher im Labor mit einem konventionellen Endoskop inspiziert, stammt aber weder von einem Tier noch von einem Menschen. Es handelt sich um die Nachbildung einer natürlichen Blase. Qiu hat noch andere „Phantomorgane“ im Angebot – etwa eine Niere oder eine Prostata. Sie gleichen ihren Vorbildern nicht nur äußerlich, sondern sollen sich auch fast so anfühlen und angehenden Ärzten somit möglichst realistische Trainingsbedingungen bieten. Mithilfe der neuen Werkzeuge wollen Qiu und sein Team auch große Mengen an Daten sammeln und diese mithilfe Künstlicher Intelligenz auswerten. Ziel ist die Optimierung und Neuentwicklung chirurgischer Methoden – etwa durch Augmented-Reality-Systeme. Sie sollen Chirurgen bei Operationen eine bessere Orientierung ermöglichen und ebenfalls in der Ärzteausbildung eingesetzt werden.
Tian Qiu arbeitet viel mit Medizinern zusammen. Er selbst hätte sich auch vorstellen können, Chirurg zu werden, wandte sich dann aber der Medizintechnik zu. Auf diesem Gebiet will er durch die Arbeit an ganz kleinen Dingen zur Lösung der großen Probleme beitragen.