Flimmerhärchen reinigen Lunge und Gehirn – nun lassen sie sich künstlich nachbauen
Künstliche Zilien ahmen die Bewegung echter Flimmerhärchen nach und könnten künftig bei Atemwegserkrankungen und Mikrorobotern helfen.
Die entwickelten Hydrogel-Mikrozilien sind so klein, dass sie mit einem herkömmlichen optischen Mikroskop nicht sichtbar sind. Dieses Bild wurde mit einem hochmodernen Rasterelektronenmikroskop aufgenommen und zeigt die feine Struktur der mikrometerkleinen Aktuatoren. © MPI
Winzige Flimmerhärchen, sogenannte Zilien, spielen im menschlichen Körper eine wichtige Rolle: Sie reinigen die Lunge von Staub und Keimen, halten Flüssigkeiten im Gehirn in Bewegung und transportieren Eizellen. Versagt dieses feine System, drohen Atemwegserkrankungen, Entwicklungsstörungen oder Probleme mit der Fruchtbarkeit.
Forscher des Max-Planck-Institut für Intelligente Systeme haben nun erstmals künstliche Zilien aus einem weichen Hydrogel entwickelt, die diese komplexen Bewegungen nahezu naturgetreu nachahmen. Die mikroskopisch kleinen Härchen lassen sich einzeln steuern, schlagen mit ähnlicher Frequenz wie ihre biologischen Vorbilder und arbeiten sogar in Blutserum zuverlässig. Möglich wird das mit extrem niedriger elektrischer Spannung, die auch in biologischen Umgebungen als sicher gilt. Die Ergebnisse erschienen im Fachjournal Nature.
Warum Zilien für den Körper unverzichtbar sind
Die Funktion von Flimmerhärchen ist in der Biologie seit Langem bekannt. Technisch ließ sich ihre feine, dreidimensionale Bewegung jedoch kaum realistisch nachbilden. Frühere künstliche Systeme arbeiteten meist zu langsam, benötigten hohe Spannungen oder konnten nur einfache Bewegungen ausführen. Die neuen künstlichen Zilien lösen dieses Problem.
Die Roboter-Härchen bestehen aus einem extrem weichen Hydrogel. Jedes einzelne misst nur wenige Mikrometer im Durchmesser und ist bis zu 90 Mikrometer hoch. Damit liegen sie im gleichen Größenbereich wie ihre natürlichen Vorbilder. Der entscheidende Unterschied steckt im Inneren des Materials. Das Gel besitzt winzige Poren im Nanometerbereich, durch die sich Ionen sehr schnell bewegen können.
Wird eine elektrische Spannung angelegt, wandern diese Ionen gezielt durch das Material. Sie ziehen Wasser mit oder drücken es heraus. Dadurch biegt oder dreht sich das Härchen kontrolliert. Schon eine Spannung von 1,5 Volt reicht aus. Dieser Wert liegt unterhalb der Schwelle, bei der Wasser chemisch zerfällt. Das System bleibt stabil und gilt als sicher, auch für Anwendungen in wässriger oder biologischer Umgebung.
Die Bewegung beginnt innerhalb von Millisekunden. Die künstlichen Zilien schlagen mit bis zu 40 Bewegungen pro Sekunde. Das entspricht genau dem Bereich, den auch natürliche Zilien im menschlichen Körper erreichen.
„Im kleinen Maßstab hat sich die Verwendung elektrischer Signale zur Steuerung der Ionenbewegung als äußerst effektiv erwiesen“, sagt Erstautor Zemin Liu. Das Prinzip orientiert sich an Vorgängen im Körper, denn auch Muskeln bewegen sich, weil elektrische Signale Ionen verschieben.
Belastbar und erstaunlich langlebig
Neben der Geschwindigkeit überzeugt die Haltbarkeit. In Tests bewegten sich die künstlichen Zilien mehr als 330.000 Mal hintereinander. Danach lag die Leistung noch bei rund 70 Prozent des Anfangswerts. Diese Belastung entspricht etwa einem Tag ununterbrochener Bewegung natürlicher Zilien. Der Verschleiß bleibt gering, weil keine chemischen Reaktionen ablaufen, sondern rein physikalische Prozesse im Inneren des Gels.
„Dank der nanometergroßen Poren reagieren unsere künstlichen Zilien extrem schnell“, erklärt Studienautor Wenqi Hu. Gleichzeitig bleibt das Material formstabil. Grenzen setzt derzeit eher die feine Elektronik, die die Spannungen steuert, als das Hydrogel selbst.
Präzise Steuerung auf engstem Raum
Jedes Härchen lässt sich einzeln ansprechen. Arrays aus Hunderten oder sogar Tausenden künstlicher Zilien können synchron oder gegeneinander arbeiten. Möglich wird das durch winzige Elektroden, die direkt in flexible Trägermaterialien integriert sind.
Diese präzise Steuerung hilft nicht nur der Technik. Sie erlaubt es auch, biologische Abläufe besser zu verstehen. Natürliche Zilien ließen sich bislang nur beobachten. Mit den künstlichen Pendants können Bewegungen gezielt verändert und ihre Wirkung systematisch untersucht werden.
Künstliche Zilien bewegen gezielt Flüssigkeiten
Besonders anschaulich wird die Technik im Kontakt mit Flüssigkeiten. Die Härchen lassen sich einzeln oder in Gruppen ansteuern. Je nach Abfolge der elektrischen Signale entstehen gerichtete Strömungen, Wirbel oder rotierende Muster. In Versuchen bewegten sich winzige Partikel mit Geschwindigkeiten von etwa 50 bis 250 Mikrometern pro Sekunde.
Getestet wurde das System nicht nur in Wasser, sondern auch in Kochsalzlösung sowie in biologischen Flüssigkeiten wie menschlichem Speichel, Serum oder Mausplasma. In komplexeren Flüssigkeiten nahm die Leistung zwar ab, die Bewegung blieb jedoch kontrollierbar. Das gilt als wichtiger Schritt in Richtung medizinischer Anwendungen.
Wo die Roboterhärchen eingesetzt werden können
In der Medizin könnten solche Systeme beschädigte Zilien unterstützen oder ersetzen. Denkbar sind Hilfen bei chronischen Atemwegserkrankungen oder Störungen des Flüssigkeitstransports im Gehirn. Auch für die Fruchtbarkeitsmedizin ergeben sich neue Ansätze.
In der Technik liefern die künstlichen Zilien Bausteine für Mikroroboter. Sie könnten Flüssigkeiten mischen, Wirkstoffe transportieren oder als Antrieb für winzige Maschinen dienen. Studienleiter Metin Sitti beschreibt den Fortschritt so: „Wir haben jetzt erstmals eine Roboterplattform, mit der wir Zilien in Aktion untersuchen können – wie sie sich bewegen, zusammenarbeiten und Flüssigkeiten transportieren.“
Kurz zusammengefasst:
- Zilien sind für viele Körperfunktionen unverzichtbar, etwa für die Reinigung der Atemwege, die Entwicklung des Gehirns und den Transport von Flüssigkeiten; fallen sie aus, drohen ernsthafte gesundheitliche Probleme.
- Künstliche Zilien aus einem weichen Hydrogel können diese Bewegungen heute fast naturgetreu nachahmen, reagieren auf sehr geringe elektrische Spannungen, schlagen bis zu 40-mal pro Sekunde und bleiben auch nach Hunderttausenden Bewegungen funktionsfähig.
- Die Technik eröffnet konkrete Perspektiven für Medizin und Mikrorobotik, etwa zur Unterstützung geschädigter Zilien, zur gezielten Bewegung von Flüssigkeiten im Körper oder als Antrieb für winzige medizinische Geräte.
Übrigens: Jahrzehntelang scheiterte die Robotik daran, Maschinen unter einem Millimeter wirklich selbstständig zu machen – genau dort, wo Reibung, Zähflüssigkeit und fehlender Platz jede klassische Technik ausbremsen. Wie Forscher diese Grenze nun verschoben haben und warum Bewegung im Mikromaßstab völlig neu gedacht werden muss, mehr dazu in unserem Artikel.
Bild: © MPI
