Magnetische Gelkapseln könnten sowohl die Robotik als auch die Medizin voranbringen

Magnetische Polymere

Prof. Abdon Pena-Francesch, Leiter des BioInspired Materials Lab an der University of Michigan, und sein Team haben entwickelt ein Gel mit magnetischen Eigenschaften – obwohl es ausschließlich aus kohlenstoffbasierten Molekülen besteht. Dieses magnetische Gel, genannt ‘TEMPO-Magnete’, kann von anderen magnetischen Materialien angezogen werden und auf Magnetfelder reagieren. Das ermöglicht eine Fernmanipulation des Gels. Zum Beispiel könnte eine Kapsel im Magen dazu gesteuert werden, eine Operation durchzuführen oder Medikamente zu verabreichen.

Quelle: University of Michigan

Die magnetischen Eigenschaften dieses auf TEMPO basierenden Gels sind schwächer als die von Metallmagneten, können jedoch für biomedizinische Anwendungen und bestimmte weiche Robotik von Vorteil sein. Zum Beispiel könnte die MRT in Kombination mit dieser Technologie eingesetzt werden, wobei ein stärkeres Magnetfeld die MRT im Wesentlichen blind machen würde. In diesem Fall kann die MRT verwendet werden, um die Wirkung einer medizinischen Kapsel zu überwachen, ob ein Medikament korrekt abgegeben wurde und wo, oder die Bewegungen einer magnetischen Gelkapsel im Verdauungstrakt zu verfolgen.

Die nächsten Schritte

Der nächste Schritt dieses spezifischen Projekts wird darin bestehen, diese Gelart biologisch abbaubar zu machen, wodurch eine höhere Verträglichkeit im menschlichen Körper ermöglicht wird, sowie die Möglichkeit, sie in der Natur zu verwenden, ohne sich um Kontamination und Verschmutzung sorgen zu müssen.

Neben magnetischen Gelen sollte  3D‑Druck/Additive Fertigung ebenfalls einen Schub für weiche Robotik darstellen. Langsam aushärtende, elastisch-plastische Materialien bieten gute Optionen für Prothesen, die über die bestehenden Möglichkeiten hinausgehen. Wir diskutieren diese wachsende Verbindung zwischen den aufstrebenden Bereichen der weichen Robotik und des 3D‑Drucks in unserem Artikel “Hände wie ein Mensch: Neue additive Fertigung hilft weicher Robotik, real zu werden”.

Wir haben auch die 3D‑Druck‑Industrie insgesamt in dem Artikel “Top 10 Additive Fertigung und 3D‑Druck Aktien im Blick” betrachtet.

Abkehr von harter Robotik

Derzeit haben Roboter stillschweigend einen wichtigen Teil unseres Lebens eingenommen. Dies beschränkte sich jedoch größtenteils auf schwere, industrielle Roboterarm-Designs. In jüngerer Zeit übernehmen Drohnen und kleinere Liefer- oder Logistikroboter immer mehr Aufgaben und gewinnen sogar an Bedeutung im Krieg. Diese Designs sind jedoch nach wie vor auf Hydraulik und schwere, metallbasierte Systeme angewiesen.

Quelle: Unsplash

Zu starre Materialien begrenzen die Anwendungsmöglichkeiten von Robotern, zum Beispiel durch eingeschränkte Bewegungsbereiche oder Schwierigkeiten beim Umgang mit empfindlichen Objekten. Die mechanische und metallische Beschaffenheit der Robotik war zudem ein wesentliches Hindernis für ihre Anwendung in der Medizin, etwa bei Prothesen oder internen Nanorobotern.

Weiche Roboter

Es wurde intensiv daran gearbeitet, sogenannte „weiche Roboter“ zu entwickeln, die Kunststoffe, Polymere, Metalldrähte oder andere flexiblere Komponenten verwenden. Weichere Designs sollten neue, stärker von der Natur inspirierte Konzepte ermöglichen, die beim Bau eines Roboters eingesetzt werden können, wie wir in unserem Artikel “Wie Robotik von der Natur lernen kann“ diskutierten.

Aber diese Systeme leiden noch unter einigen Einschränkungen:

• Sie müssen an eine Stromquelle angeschlossen sein.
• Sie sind oft auf wenige vorbestimmte Formen oder Bewegungen beschränkt.
• Sie sind ziemlich schwer.

Quelle: Youtube

Eine Idee, diese Einschränkungen zu überwinden, besteht darin, Magnete anstelle starrer Metallteile zu verwenden. Das eliminiert die Notwendigkeit einer externen Stromquelle und bietet mehr Flexibilität sowie eine größere Vielfalt möglicher Formen und Bewegungen.

Metallische Magnete sind jedoch immer noch schwer. Sie sind zudem meist bis zu einem gewissen Grad toxisch, was ihren Nutzen in medizinischen Anwendungen stark einschränkt. Das ist bedauerlich, da die Interaktion von Robotern mit weichem & empfindlichem Gewebe für medizinische Zwecke eine der vielversprechendsten Anwendungen der weichen Robotik darstellt.

Allerdings gibt es keine physikalischen Gesetze, die vorschreiben, dass Magnete zwingend aus Metall bestehen müssen. Magnetische Eigenschaften sind die einzige Voraussetzung. Andere Materialien können diese erfüllen – genau wie TEMPO‑Magnete.

Weiche oder magnetische Robotik‑Aktien

1. Stereotaxis

Stereotaxis ist ein führendes Unternehmen im Bereich der medizinischen Telerobotik. Sein Genesis‑RMN‑System (Robotic Magnetic Navigation) nutzt Magnetfelder, um Katheter im Körper eines Patienten zu steuern. Dies wird insbesondere in der Herzchirurgie und anderen endovaskulären Behandlungen eingesetzt.

Es ist der einzige verfügbare Roboter in diesem Sektor, der sich von der laparoskopischen Chirurgie unterscheidet, die von Intuitive Surgical (ISRG ) (ISRG) dominiert wird, sowie von offenen Operationsrobotern wie denen von Stryker (SYK – Mako‑Roboter) und Medtronic (MDT – Mazor‑Robotik). Wir haben diese beiden Unternehmen und weitere in unserem Artikel „Top 5 Roboter‑Chirurgie‑Aktien“ diskutiert.

Dieses Verfahren eliminiert die Notwendigkeit starrer Katheter, die auf manuelle Steuerung und Kraft des Bedieners angewiesen sind, was zu einem höheren Risiko von unerwünschten Ereignissen für die Patienten führt.

Zusätzlich erfordert die traditionelle Methode der Katheterimplantation Röntgenstrahlen, die insbesondere für das medizinische Personal, das den Eingriff regelmäßig durchführt, Strahlenbelastung verursachen. Es ist ein bekanntes Phänomen, dass dies bei Ärzten und Pflegekräften, die diese Eingriffe ausführen, Krebs hervorrufen kann.

Quelle: Stereoaxis

Das manuelle Verfahren erfordert zudem viele Fähigkeiten, was kostspielige Schulungen nötig macht, und die Erfolgsraten können je nach Bediener und dessen Erfahrung variieren.

Im Vergleich zu den klassischen Methoden bietet die Lösung von Stereotaxis 72 % weniger Komplikationen und 36 % geringere Strahlenbelastung.

Das Unternehmen hat sein System bereits in über 100 Krankenhäusern eingesetzt und mehr als 100.000 Patienten behandelt.

Da Stereotaxis bereits die Fernmagnetnavigation für Operationen nutzt, ist es naheliegend, dass das Unternehmen in einer Spitzenposition sein wird, um die Entstehung organischer magnetischer Robotik zu übernehmen. Und seine RMN‑Roboter könnten die Grundlage für den Einsatz der magnetischen organischen Geltechnologie in Krankenhäusern bilden.

2. 3D Systems Corporation

Dieser Marktführer der 3D‑Druck‑Industrie hat 2017 ebenfalls den Einstieg in das Bioprinting mit einer Forschungskooperation mit United Therapeutics (UTHR ) (UTHR) vollzogen. Er hat außerdem den Bio‑Ink‑Hersteller Allevia im Jahr 2021 übernommen. Und er kündigte 2020 eine Zusammenarbeit mit CollPlant Biotechnologies (CLGN ) (CLGN) an.

Diese Akquisition verschafft 3D Systems (DDD ) einen Vorsprung im Bereich des Drucks biologischer Materialien. Derzeit vermarktet das Unternehmen drei Modelle seines Allevi‑Bioprinters.

Quelle: 3D Systems

Als wachsender Hersteller von 3D‑gedruckten Medizinprodukten und Prothesen UND als Marktführer im Bioprinting können wir uns vorstellen, dass das Unternehmen an neuen Anwendungen für fernsteuerbare organische Magnetgele interessiert sein könnte.

Sollte weiche Robotik mit magnetischem Gel zu einer wachsenden medizinischen Anwendung werden, können wir erwarten, dass 3D Systems Teil dieser medizinischen Revolution sein wird und beim 3D‑Drucken der relevanten Werkzeuge für diese neuen Therapien hilft.

(Wir haben das Feld des Bioprintings ausführlich in unserem Artikel „Organe auf Abruf: Die besten 3D‑Bioprinting‑Aktien“ untersucht.)

3. Desktop Metal, Inc.

Desktop Metal ist ein weiterer großer Marktführer im 3D‑Druck, mit über 650 Patenten, mehr als 250 möglichen Materialien und 6.000 Kunden. Ein Schwerpunkt liegt auf dem Metall‑3D‑Druck, ein Ziel, das in der 3D‑Druck‑Branche lange gesucht wurde.

Das Unternehmen ist zudem im Gesundheitswesen aktiv, beginnend mit der Übernahme des deutschen Unternehmens EnvisionTEC, das Zahnpflegetechnologie umfasst. Dies geht einher mit einer strategischen Partnerschaft mit dem führenden Kieferorthopädie‑Unternehmen Align Technology (ALGN ).

Die Fusion mit EnvisionTEC half Desktop Metal zudem, seinen Desktop Health 3D‑Drucker zu entwickeln. Dieser ist eher ein Gerüst‑Drucker als ein Voll‑Zell‑/Organ‑3D‑Drucker. Sollte das Bioprinting jedoch dauerhaft Hydrogelformen oder andere Polymere als Gerüst benötigen, wäre dies ein starker technologischer Vorteil für Desktop Health.

Quelle: Desktop Metal

Obwohl der Fokus auf Bioprinting und Gesundheitswesen weniger stark ist als bei 3D Systems, ist es nicht unmöglich, dass Desktop Metal ebenfalls an dem Potenzial einer Kombination von 3D‑Druck und organischen Magnetgelen interessiert sein könnte.

4. Soft Robotics

Dieses Unternehmen ist privat notiert und konzentriert sich auf die Entwicklung von mGripAI, einem Roboter mit weichem Griff für die Lebensmittelverarbeitungsindustrie, kombiniert mit einem vollständigen 3D‑Visions‑ und KI‑System.

Quelle: Soft Robotics

Sie können es auch in diesem Video in Aktion sehen. Obwohl ein Einstieg in den medizinischen Bereich unwahrscheinlich ist, könnte das Unternehmen eines Tages an einer ungiftigen Version von magnetischer weicher Robotik für den Einsatz in der Lebensmittelindustrie interessiert sein. Dies gilt besonders, wenn das organische Magnetgel zu einem biologisch abbaubaren Material weiterentwickelt werden kann.