Stell dir vor, ein Medikament findet seinen Weg durch deinen Körper wie ein selbstfahrendes Auto durch die Stadt – gesteuert, navigiert, punktgenau am Ziel. Was nach Science-Fiction klingt, haben Forschende der ETH Zürich jetzt Wirklichkeit werden lassen.
Das Team um Professor Bradley Nelson vom Multi-Scale Robotics Lab hat magnetische Mikroroboter entwickelt, die unter kliniknahen Bedingungen in großen Tiermodellen erfolgreich getestet wurden . Die Studie erschien kürzlich in der renommierten Fachzeitschrift Science – und könnte die Art und Weise verändern, wie wir in Zukunft Medikamente verabreichen.
Eine winzige Kapsel, jahrelange Forschung
Die Mikroroboter sind etwa 600 Mikrometer groß – klein genug, um selbst durch die engsten Blutgefäße im Gehirn zu navigieren. Die kugelförmige Kapsel besteht aus einer auflösbaren Gel-Hülle und enthält drei entscheidende Komponenten: Eisenoxid-Nanopartikel für die magnetische Steuerbarkeit, Tantal-Nanopartikel als Röntgen-Kontrastmittel und das eigentliche Medikament.
„Magnetische Funktionalität, bildgebende Sichtbarkeit und präzise Steuerung in einem einzigen Mikroroboter zu vereinen, erfordert ein perfektes Zusammenspiel zwischen Materialwissenschaft und Robotik. Wir haben viele Jahre gebraucht, dieses Ziel zu erreichen“
erklärt ETH-Professor Bradley Nelson, der seit Jahrzehnten an Mikrorobotern forscht.
Die technische Herausforderung sei gewesen, dass eine so kleine Kapsel auch ausreichend starke magnetische Eigenschaften haben müsse, ergänzt Fabian Landers, Erstautor der Studie und Postdoktorand am Multi-Scale Robotics Lab. Die schweren Tantal-Partikel erschwerten zusätzlich die Steuerung – erst durch maßgeschneiderte Eisenoxid-Nanopartikel gelang der Durchbruch.
Navigation durch den Körper: Drei Strategien, ein Ziel
Das Besondere an dieser Entwicklung ist das ausgeklügelte Navigationssystem. Die Forschenden kombinierten drei verschiedene magnetische Navigationsstrategien, mit denen sie in allen Regionen der Kopfarterien navigieren können.
Strategie 1: Rollen an der Gefäßwand
Mit einem rotierenden Magnetfeld können die Forschenden die Kapsel entlang der Gefäßwand rollen – mit einer Geschwindigkeit von 4 Millimetern pro Sekunde. Das klingt langsam, ermöglicht aber höchste Präzision.
Strategie 2: Ziehen durch Magnetfeld-Gradienten
Bei dieser Variante ist das Magnetfeld an einer Stelle stärker als an einer anderen. Der Mikroroboter wird so im Gefäß in Richtung des stärkeren Felds gezogen. Das funktioniert selbst gegen den Blutstrom.
Strategie 3: In-Flow-Navigation
Die dritte Methode nutzt die natürliche Strömung des Blutes intelligent aus.
„Die Blutgeschwindigkeiten im menschlichen Arteriensystem variieren je nach Lage stark. Das macht die Navigation eines Mikroroboters sehr komplex“,
erklärt Nelson. Die Kapsel kann sogar gegen den Strom schwimmen, und das bei einer beachtlichen Strömungsgeschwindigkeit von über 20 Zentimetern pro Sekunde. „Es ist unglaublich, wie viel Blut in welcher Geschwindigkeit durch unsere Gefäße gepumpt wird“, sagt Landers.
Warum das medizinisch ein Gamechanger sein könnte
Die Zahlen sind drastisch: Jährlich erleiden weltweit rund zwölf Millionen Menschen einen Schlaganfall. Viele sterben oder bleiben mit Lähmungen zurück. Das Problem bei der aktuellen Behandlung: Um ein Blutgerinnsel im Gehirn aufzulösen, müssen Ärzte hohe Dosen blutverdünnender Medikamente verabreichen, die sich im ganzen Körper verteilen. Die Folge können schwere Nebenwirkungen wie innere Blutungen sein.
Die Mikroroboter könnten dieses Prinzip komplett umdrehen. Statt den gesamten Organismus mit Wirkstoffen zu fluten, bringen sie hohe Konzentrationen direkt zum Blutgerinnsel, zur Engstelle im Herzkranzgefäß oder zum schwer erreichbaren Tumor. Der Rest des Körpers bleibt unberührt – und damit nebenwirkungsfrei.
So klein ist der neuste ETH-Mikroroboter (Luca Donati / ETH Zürich)
Von der Petrischale in den OP-Saal
Um die Mikroroboter und ihre Navigation in einer realistischen Umgebung testen zu können, entwickelten die Forschenden Silikonmodelle, bei denen sie exakt die Gefäße von Patienten und Tieren abgebildet haben. Diese Modelle sind mittlerweile so ausgereift, dass sie in der Ausbildung von Ärzten eingesetzt werden und vom ETH-Spin-off Swiss Vascular vertrieben werden.
Nach zahllosen Tests im Modell folgte der entscheidende Schritt: In Schweinen konnten die Forschenden zeigen, dass alle drei Navigationsmethoden funktionieren und der Mikroroboter während des ganzen Eingriffs gut sichtbar bleibt. Bei einem Schaf navigierten sie die Kapsel sogar durch die Gehirnflüssigkeit. In mehr als 95 Prozent der getesteten Fälle gab die Kapsel das Medikament erfolgreich am richtigen Ort ab.
„Diese komplexe anatomische Umgebung hat sehr viel Potenzial für weitere therapeutische Eingriffe, deshalb war es für uns so spannend, dass der Mikroroboter auch hier seinen Weg fand“, kommentiert Landers die Ergebnisse.
Ein Spielfeld für Gründer und Startups
Für die Startup-Szene öffnet sich hier ein faszinierendes Feld an der Schnittstelle zwischen Medtech, Robotik und Pharma. Die Chancen sind vielfältig:
Hardware und Navigation: Spezialisierte Katheter, die präziser und schonender arbeiten als bisherige Modelle. Steuerungssoftware, die den Weg durch das Gefäßsystem in Echtzeit berechnet. KI-gestützte Systeme, die aus CT- und MRT-Aufnahmen automatisch die optimale Route ermitteln.
Pharmazeutische Innovation: Wirkstoffe, die speziell für den Transport in Mikrokapseln formuliert werden. Bestehende Medikamente, die als lokal wirkende Mikroroboter-Therapien neu positioniert werden – ein interessanter Ansatz für Pharmaunternehmen, deren Patente auslaufen.
Service-Modelle: Plattformen, die Kliniken die teure Navigationstechnik nicht als Kaufprodukt, sondern als Service anbieten – inklusive Verbrauchsmaterialien, Wartung und Software-Updates.
Intelligente Assistenz: KI-Anwendungen für Risikobewertung vor dem Eingriff, Simulation komplexer Gefäßstrukturen oder intraoperative Entscheidungsunterstützung.
Das ETH-Spin-off Swiss Vascular zeigt bereits, wie sich aus der Forschungsarbeit kommerzielle Produkte entwickeln lassen – in diesem Fall realistische Gefäßmodelle für die Ausbildung.
Der Weg zum Menschen
„Magnetische Felder eignen sich hervorragend für minimalinvasive Eingriffe, da diese tief in den Körper eindringen und – in den Stärken und Frequenzen, welche wir nutzen – keinen Einfluss auf den Körper haben“
, betont Nelson. Ein Vorteil: Die verwendeten Materialien – Eisenoxid, Tantal, biokompatible Gel-Hüllen – sind bereits aus anderen medizinischen Anwendungen bekannt. Das senkt regulatorische Hürden erheblich.
Trotzdem bleiben wichtige Fragen offen, bevor der erste Einsatz am Menschen stattfinden kann: Wie verhalten sich die magnetischen Partikel langfristig im Körper? Lassen sich die Verfahren standardisieren, sodass sie in verschiedenen Kliniken gleich gut funktionieren? Und natürlich: Große klinische Studien müssen die Sicherheit und Wirksamkeit am Menschen beweisen.
Das Forschungsteam hat bei jedem Entwicklungsschritt mitberücksichtigt, dass alles möglichst bald im Operationssaal eingesetzt werden kann. Das nächste Ziel ist klar: klinische Tests bei Menschen.
Der Moment für mutige Gründer
Das Forschungsfeld entwickelt sich rasant. Arbeiten zu magnetischen Mikro- und Millirobotern häufen sich, die ersten Patente werden angemeldet, Investoren werden aufmerksam. Es entsteht ein neues technologisches Segment – und damit eine seltene Gelegenheit für Gründer.
Wer jetzt einsteigt, kann Standards setzen, bevor sich der Markt formiert. Das ist der klassische Moment für mutige Startups: zwischen wissenschaftlichem Durchbruch und kommerzieller Etablierung. Genau dort, wo Innovation entsteht – und wo sich die Medizin von morgen formt.
Fotos: Luca Donati / ETH Zürich