Chemie • Materialwissenschaften

Forschungsbericht (importiert) 2015 - Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme

Der kleinste von Menschen geschaffene Nano-Motor

The smallest human-made nano-motor

Autoren

Sánchez, Samuel

Abteilungen

Forschungsgruppe "Smart Nanobiodevices"

Winzig kleine Motoren, die sich selbst antreiben, durchs Abwasser sausen und dieses so ganz nebenbei auch noch reinigen oder kleine Roboter, die mühelos durch das Blut schwimmen und so vielleicht eines Tages Medikamente ganz gezielt an eine bestimmte Körperstelle transportieren – was klingt wie die Vision aus einem Science Fiction Film, das lässt Samuel Sánchez in seinem Labor am Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme in Stuttgart bereits Wirklichkeit werden. Selbst angetriebene Mikro-Nanoroboter und integrierte Sensoren in Mikro-Chips: Das ist das Thema von Sánchez` Forschungsgruppe.

Tiny self-propelled motors which speed through the water and clean up pollutions along the way or small robots which can swim effortlessly through blood to one day transport medication to a certain part of the body – this sounds like taken from a science fiction movie script. However, Samuel Sánchez is already hard at work in his lab at the Max Planck Institute for Intelligent Systems in Stuttgart to make these visions come true.

Self-propelled micro-nanorobots and the usage as integrated sensors in microfluid-chips: that’s the topic of Sánchez` research group.

Selbst-angetriebene Mikro-Nanoroboter

Die Entwicklung von synthetischen Mikro- und Nanomaschinen wurde vom Physiker Richard Feynman in seiner berühmten Rede von 1959 mit dem Titel „There’s Plenty of Room at the Bottom“ (englisch für „Unten ist eine Menge Platz“) vorhergesehen.

In diesem Vortrag brachte Richard Feynman zahlreiche Vorschläge vor, wie Technologie auf mikroskopischer Ebene funktionieren könnte. Die vielfältigen Ideen des Vortrages wurden später zur Grundlage der Nanotechnologie.

Seit damals streben Forscher aus verschiedenen Wissenschaftsgebieten danach, die Größe von makroskopischen Maschinen hin zu Nano-Dimensionen zu verkleinern. Doch erst seit kurzem, seitdem Wissenschaftler aus den Bereichen Nanotechnologie, Materialwissenschaften, Physik und Chemie zusammenarbeiten, um gemeinsam an Nano-Vorrichtungen zu forschen, ist es gelungen, solche autonom funktionierenden Einheiten mit komplexen Funktionen zu schaffen.

Die Stuttgarter Forschungsgruppe unter Leitung von Samuel Sánchez arbeitet an zahlreichen Beispielen dieser potentiellen Anwendungen: angefangen bei Mikrorobotern, die Flüssigkeiten im Mikrobereich abpumpen bzw. reinigen bis hin zu Mikromotoren, die Zellen transportieren oder Gewebe anbohren.

Trotz der steigenden Anzahl an Publikationen in diesem Bereich, gibt es bis heute keinen klaren Beweis für die Biokompatibilität des Systems aus Brennstoff  und Maschine. Diese große Herausforderung inspiriert die Forschungsgruppe, nach bioverträglichen und sauberen Treibstoffen für die Fortbewegung zu suchen. Unter Verwendung von abbaubaren und funktionalen Materialen sollen Nanomotoren weiterentwickelt werden, die tatsächlich eines Tages im Bereich der Biomedizin und Umwelt zur Anwendung kommen.

Kompakte, integrierte (Bio)Senoren

Ein wesentlicher Bestandteil der Forschungsaktivitäten der Gruppe basiert auf dem Verkleinern eines „Lab-on-a-chip” („Labor auf einem Chip“) hin zu einem  „Lab-in-a-tube” („Labor in einem Röhrchen“), welches in Zusammenarbeit mit dem Leibniz-Institut für Festkörper- und Werkstoffforschung in Dresden (IFW) entwickelt wurde. Das „Lab-in-a-tube“ wird als analytisches System in einen Mikro-Chip integriert und ermöglicht, die Position einer einzelnen Zelle präzise innerhalb von Mikrostrukturen zu kontrollieren.

Die Anwendung eines solchen Mikro-Röhrchens als Reaktionskammer für Lebendstudien, als auch als Detektionssystem, ist eine absolute Neuerung.

Das  „Lab-in-a-tube” ermöglicht, das Verhalten einer einzelnen Zelle im Inneren eines transparenten Mikroröhrchens zu beobachten (Abb. 1a) [1]. Es kann für verschiedene biologische Anwendungen verwendet werden, z. B. zur Nachahmung von zellulären Mikro-Umgebungen im Lebendzustand (Abb. 1b bis 1c).

<strong>Abb. 1:</strong> a) Schema eines &bdquo;Lab-in-a-tube&rdquo;: In dieser 3D-Zellanalyseplattform kann das Verhalten von S&auml;ugetierzellen be Bild vergrößern
Abb. 1: a) Schema eines „Lab-in-a-tube”: In dieser 3D-Zellanalyseplattform kann das Verhalten von Säugetierzellen beobachtet werden. b) Zeitraffung einer sich teilenden HeLa-Zelle, innerhalb eines Mikrokäfigs von 9 µm Durchmesser. Die weißen Pfeile deuten auf Chromosomenschäden, die aufgrund der räumlichen Einengung entstanden sind. c) Der orangefarbene Pfeil zeigt die Zellkerne der beiden aus der Teilung hervorgegangenen Tochterzellen. d) Elektronenmikroskopisches Foto eines 3D-Mikrosensors von 250 μm Länge. e) Mikroskopisches Bild einer HeLa-Zelle, die in den röhrenförmigen Sensor eintritt. Die gelben Pfeile markieren die Schwimmrichtung. Bei Eintritt der Zelle erfolgt eine Widerstandsänderungen im Sensor, wodurch der Standort der Zelle überprüft und gemessen werden kann. [weniger]

ON-CHIP/OFF-CHIP: Ein Ziel, zwei Optionen

Nanotechnologische Methoden werden zu weiteren „intelligenten” Systemen führen, entweder auf einem Chip (on-chip), in Form von integrierten Sensoren [2], oder außerhalb eines Chip (off-chip) als schwimmende, röhrenförmige Mikroroboter. Die Abbildungen 1d und 1e zeigen einen on-chip Mikrosensor.

Mithilfe von Methoden aus der Dünnschicht-Aufdampfung, der Photolithographie, der Elektrochemie und der Oberflächenchemie und unter Einsatz von 3D-Druckern eruiert die Forschungsgruppe die optimale Zusammensetzung, Form und Größe der Nano-Objekte. Dabei kommen verschiedenste Materialien zum Einsatz, wie etwa metallische Dünnschichten, Mikro- und Nanopartikel und diverse Polymere. Diese werden zu vielfältigen Motortypen in unterschiedlichster Architektur kombiniert, wie z. B. röhrenförmige Mikroraketen, kugelförmige Janusmotoren und verschiedene andere, meist biologisch inspirierte Objekte. Die Größe der Motoren variiert je nach Anwendung von wenigen Nanometern bis in den Zentimeterbereich.

Die wichtigsten Entdeckungen

Zum Schwerpunkt der Forschungsgruppe Sánchez gehört die Herstellung und Weiterentwicklung künstlicher Mikro- und Nanoroboter, die zu verschiedenen Anwendungen herangezogen werden können. Diese kleinstformatigen Roboter können einzelne Zellen transportieren, Krebszellen und Gewebe durchbohren, sich in Blutproben in „lab-on-a-chip“ Vorrichtungen fortbewegen und könnten auch eines Tages im Bereich der Umweltsanierung eingesetzt werden.

Die Gruppe fertigt ferngesteuerte Nano-Roboter an, die mittels katalytischer Prozesse angetrieben werden und ganz spezifisch Krebszellen ansteuern können. Diese Nano-Roboter bestehen aus kleinen, spitzen Röhrchen aus gerolltem Nanofilm, der mittels physikalischer Bedampfungstechnik und Lithographie hergestellt wird. Der Durchmesser der Mikro-Nano-Roboter beträgt nur 400 nm oder mehrere Mikrometer und ist wenige oder bis zu 500 Mikrometer lang.

Auch andere Typen von Mikromotoren wie etwa Janusmotoren wurden hinsichtlich einer Chip-Anwendung untersucht, deren kugelförmige Geometrie sich für Berechnungen und Simulationen besonders anbietet.

Es gibt aber noch einige Hürden zu überwinden, wie z. B. die hohe Viskosität der Körperflüssigkeiten oder die dreidimensionale Bewegungssteuerung, welche in Kooperation mit Professor Sarthak Misra (Twente/Niederlande) weiterentwickelt wurde. Der experimentelle Aufbau versetzt die Wissenschaftler in die Lage, Bewegungen präzise zu steuern, sogar in Gegenwart von externen Flüssigkeitsströmen [3].

Eine weitere Hürde stellt der relativ toxische Treibstoff dar, der zur Fortbewegung benutzt wird. Ein erster Schritt in Richtung eines bioverträglichen Antriebs ist die Nutzung von Enzymen als biologisch abbaubarem Katalysator (siehe Abb. 2a und 2b) [4].

Der Einsatz dieser organischen Katalysatoren wird in Zukunft eine breite Anzahl verträglicher Substanzen wie Harnstoff und Glucose als Energielieferanten zugänglich machen.

<strong>Abb. 2:</strong> a) Schema der Enzymankopplung an den Janusmotor und Beladung mit Fluoreszenzfarbstoff. b) Fluoreszenzaufnahmen der beladenen Bild vergrößern
Abb. 2: a) Schema der Enzymankopplung an den Janusmotor und Beladung mit Fluoreszenzfarbstoff. b) Fluoreszenzaufnahmen der beladenen Janusmotoren, von links nach rechts: Grünfilter, Rotfilter und Überlagerung von Hellfeld mit beiden Filtern (Skala = 25 mm). c) Mikroröhrchen schwimmen in einer verdünnten Blutprobe auf einem Chip. [weniger]

Um den Eigenantrieb im Blutstrom weiterzuverfolgen, untersuchten Mitarbeiter der Forschungsgruppe Sánchez gemeinsam mit dem IFW Dresden das Schwimmverhalten von katalytischen Mikromotoren in komplexen Medien, die sich aus roten Blutkörperchen und Serum zusammensetzen. Die katalytischen Mikromotoren wurden über die Temperatur aktiviert und schwammen bei physiologischen Temperaturen in kleinen Mengen einer Blutprobe [5].

Neben den Nanorobotern, die sich mittels Wasserstoffperoxid fortbewegen, haben die Wissenschaftler in Kooperation mit dem IFW Dresden auch Treibstoff-freie, metallische Mikro-Schrauben in Röhrenform entwickelt, die aufgrund ihrer scharfen Spitze für mechanische Bohrvorgänge an Gewebe ex vivo eingesetzt werden können [6]. Diese Mikro-Bohrer werden über ein rotierendes externes Magnetfeld in einer Lösung, deren Viskosität dem Blut ähnelt, ferngesteuert. Diese Errungenschaft eröffnet die Möglichkeit, kleinstdimensionierte Werkzeuge für minimal invasive Eingriffe in der Medizin einzusetzen.

Neben diesen möglichen biomedizinischen Zielen ist die Gruppe mit weiteren potentiellen Anwendungen der „intelligenten“ Mikromotoren beschäftigt. Einen Weg dahin sehen die Forscher in der gerichteten Bewegung der Motoren. Die Charakterisierung der Bewegung von Mikromotoren in Gegenwart von chemischen Gradienten, der sogenannten Chemotaxis, ist ein wesentlicher Bestandteil der Arbeiten (Abb. 3a).

Gemeinsam mit Wissenschaftlern des IFW Dresden konnten verschiedene Typen katalytischer Mikromotoren entwickelt werden, die sich chemotaktisch in Flüssigkeiten bewegen. Diese werden von hohen Konzentrationen des Treibstoffes (bisher Wasserstoffperoxid) chemotaktisch angezogen [7].

Auch extern steuerbare Mikromotoren wurden entwickelt, die eine biologische Funktion übernehmen können, wie z. B. den Transport von Ladung, das Abpumpen von Flüssigkeiten im Mikrobereich, oder das Detektieren von Schadstoff-Verunreinigungen [8].

Vielversprechende Prognosen werden den Mikromotoren auf dem Gebiet der Umwelttechnik gemacht. Ein Durchbruch gelang den Stuttgarter und Dresdner Wissenschaftlern mit der erstmaligen Entwicklung eines Mikromotors [9], der sich selbständig durchs Wasser fortbewegt und gleichzeitig organische Verunreinigungen abbaut (siehe Abb. 3b).

<strong>Abb. 3:</strong> a) Schematische Darstellung der chemotaktischen Fortbewegung der Mikror&ouml;hrchen. b) Die Zersetzung der organischen Versch Bild vergrößern
Abb. 3: a) Schematische Darstellung der chemotaktischen Fortbewegung der Mikroröhrchen. b) Die Zersetzung der organischen Verschmutzung (hier Rhodamin B als Modellsubstanz) durch die Eisenhülle führt zur Aufreinigung von Wasser; die Bewegung der Mikromotoren verbessert die Durchmischung. [weniger]

Ziel dieser Studie war es, ein autonomes, mikroskopisch kleines Reinigungssystem herzustellen, das ohne externe Energiezugabe schnell und zweckdienlich arbeitet.

Diese Mikromotoren bestehen aus einem röhrenförmigen Platinkern, der mit Eisen ummantelt ist. Die Luftblasen bewegen den Mikromotor fort, während die Hydroxyradikale, die aus der äußeren Eisenschicht stammen, die organischen Verunreinigungen oxidieren. Als Modell für organische Verschmutzungen wurde hier der Farbstoff Rhodamin verwendet. Der Mikromotor könnte dazu benutzt werden, kleine Behältnisse, Röhren oder andere schwer zugängliche Orte zu reinigen.

Hybridmotoren

Ein Ansatz für die nächste Mikromotorengeneration ist die Kombination von biologischen Einheiten wie etwa Zellen oder Bakterien mit synthetischen Bestandteilen. Bakterien, die sehr einfach in der Handhabung sind, können vielfältige Arten von Bewegungen ausführen und den Mikromotor vorantreiben.

Die Ausbuchtungen innerhalb der Mikro-Röhrchen liegen im Größenbereich von Zellen. Diesen Umstand nutzten Sánchez und Kollegen des IFW Dresden und stellten einen hybriden Mikro-Bio-Roboter her, der durch eingefangene Spermazellen angetrieben wird [10]. Ähnliche Kombinationen mit anderen Zellarten oder Bakterien sind denkbar, und werden gerade in das Forschungsfeld der Gruppe integriert.

Biologische Systeme können nicht nur zum Antrieb genutzt werden, sondern auch als Bauanleitung für vielfältige Geometrien dienen, um z. B. mittels 3D-Drucker bio-inspirierte Motoren in neuen Formen herzustellen.

Literaturhinweise

1.
Xi, W.; Schmidt, C. K.; Sánchez, S.; Gracias, D.; Carazo-Salas, R.; Jackson, S.; Schmidt, O. G.

Rolled-up functionalized nanomembranes as three-dimensional cavities for single cell studies

DOI
2.
Martínez-Cisneros, C. S.; Sánchez, S.;  Xi, W.; Schmidt, O. G.

Ultracompact Three-Dimensional Tubular Conductivity Microsensors for Ionic and Biosensing Applications

DOI
3.
Khalil, I. S. M.; Magdanz, V.; Sánchez, S.; Schmidt, O. G.; Misra, S.

The Control of Self-Propelled Microjets Inside a Microchannel With Time-Varying Flow Rates

DOI
4.
Xing, M.; Sánchez, S.
Bio-catalytic driven janus mesoporous silica cluster motor with magnetic guidance
DOI
5.
Soler, L.; Martínez-Cisneros, C.; Swiersy, A.; Sánchez, S.; Schmidt, O. G.

Thermal activation of catalytic microjets in blood samples using microfluidic chips

DOI
6.
Xi, W.; Solovev, A. A.; Ananth, A. N.; Gracias, D. H.; Sánchez, S.; Schmidt, O. G.

Rolled-Up Magnetic Microdrillers: Towards Remotely Controlled Minimally Invasive Surgery

DOI
7.
Baraban, L.; Harazim, S. M.; Sánchez, S.; Schmidt, O. G.

Chemotactic Behavior of Catalytic Motors in Microfluidic Channels

DOI
8.
Sánchez, S.; Soler, L.; Katuri, J.
Chemically Powered Micro- and Nanomotors
DOI
9.
Soler, L.; Magdanz, V.; Fomin, V. M.; Sánchez, S.; Schmidt, O. G.

Self-Propelled Micromotors for Cleaning Polluted Water

DOI
10.
Magdanz, V.; Sánchez, S.; Schmidt, O. G.

Development of a Sperm-Flagella Driven Micro-Bio-Robot

DOI