Robotiklösungen können lebenswichtige Körperfunktionen für die am meisten Bedürftigen wiederherstellen

Peristaltik – eine verborgene, aber wichtige Muskelbewegung

Roboterunterstützung zur Linderung von Mobilitätsproblemen nimmt zu, insbesondere Exoskelette. Zum Beispiel haben wir erörtert, wie sie Patienten mit Parkinson helfen und zusätzlich Fabrik- und Lagerarbeitern mehr Mobilität verleihen kann, oder sogar dem Militär, wie beim Herowear-Anzug, der gemeinsam mit der Vanderbilt University entwickelt wurde.

Quelle: Herowear

Allerdings stammen nicht alle wichtigen Bewegungen des Körpers von den Gliedmaßen oder dem Rücken. Peristaltik ist die wellenartige Bewegung innerer Organe wie der Speiseröhre (die den Mund mit dem Magen verbindet) oder des Darms.

Diese Art von Bewegung beschleunigt den Transport von Flüssigkeiten im Körper. Sie ist eine lebenswichtige Funktion für die Verdauung und stellt zudem sicher, dass aufgenommene Nahrung in den Magen und nicht in die Lungen gelangt.

Peristaltik kann durch Krankheiten, insbesondere Krebs, beeinträchtigt werden. Die übliche Behandlung besteht darin, einen Metallschlauch zu verwenden, was zu Verstopfungen und anderen lebensbedrohlichen Problemen führen kann.

Forscher derselben Vanderbilt University in Nashville, USA, wo ihre Kollegen an Exosuits arbeiteten, haben einen weichen magnetischen Roboter entwickelt, der stattdessen die Peristaltik nachahmen könnte.

Der Aufstieg der weichen Robotik

Roboter sind hervorragend im Umgang mit schweren Geräten und bei präziser Fertigung. Doch sie lassen sich viel schwieriger mit weichem und empfindlichem biologischem Gewebe kombinieren.

Aus diesen Gründen untersuchen Forscher Wege, „weiche Roboter“ zu schaffen, 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 immer noch unter einigen Einschränkungen:

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

Eine Idee, diese Einschränkungen zu beseitigen, besteht darin, Magnete anstelle von starren Metallteilen zu verwenden. Dadurch entfällt die Notwendigkeit einer externen Stromquelle und es bietet mehr Flexibilität und Vielfalt möglicher Formen und Bewegungen. Zum Beispiel haben wir bereits diskutiert, wie weiche Gele magnetisch gemacht werden könnten, um solche Roboter zu betreiben.

Robotische Peristaltik

Die Forscher der Vanderbilt University nutzten ein flexibles magnetisches Robotersystem, um die biologischen Wellengangbewegungen der Peristaltik nachzubilden.

Quelle: Advanced Functional Materials

Die Bewegung des „Roboters“ erfolgt durch Magnetismus, gesteuert von außerhalb des Körpers, ein zusätzlicher Vorteil dieses Systems. Auf diese Weise benötigt er nach dem Einsetzen in den Körper des Patienten kein internes Batteriesystem.

Ein solcher magnetischer Peristaltik‑Roboter kann in einen Ösophagus‑Stent integriert werden und die Bewegung eines biologischen Ösophagus nachahmen.

Quelle: Advanced Functional Materials

Die Herstellung dieses Geräts erforderte viele Schritte und Versuch‑und‑Fehler‑Methoden, um das richtige Verfahren zu finden. Unter anderem wurden das Material lasergefräst, magnetisiert, auf ein Polyimid‑Band montiert, mit Hydrogel beschichtet und an den Silikon‑Stent gebunden (dieselbe Vorgehensweise ist auch mit einem Metall‑Stent möglich).

Quelle: Advanced Functional Materials

Das experimentelle Design funktionierte gut und replizierte die Mechanismen der Peristaltik.

Sie können es in Aktion im nachfolgenden Video sehen:

Zukünftige Verbesserungen

Kleiner für mehr Anwendungsmöglichkeiten

Das im Prototyp verwendete magnetische weiche Blatt könnte kleiner sein, möglicherweise durch Fertigungstechniken wie Mikromolding.

Damit könnte dieses Design in engere Körperbereiche passen. Zum Beispiel könnte es verwendet werden, um menschliche Eizellen von den Eierstöcken zu transportieren, wenn die Muskelfunktion in den Eileitern beeinträchtigt ist.

Dasselbe System könnte in Atemwegs‑Stents integriert werden, um überschüssigen Schleim zu transportieren.

Materialien

Das magnetische weiche Blatt könnte Mikro‑Muster und Beschichtungen besitzen, die den Transport von Flüssigkeiten und Feststoffen effizienter machen.

Die magnetische Komponente könnte ebenfalls verbessert werden, sodass ein geringeres Magnetfeld verwendet werden kann (auch wenn die im Prototyp verwendete Magnetfeldstärke als sehr sicher gilt).

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 Robotik‑Chirurgie‑Aktien“ diskutiert.

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

Zudem erfordert die herkömmliche Methode zur Katheterplatzierung Röntgenstrahlen, die insbesondere für das medizinische Personal, das den Eingriff regelmäßig durchführt, Strahlenbelastungen verursachen. Es ist ein bekanntes Phänomen, dass dies bei Ärzten und Pflegekräften, die diese Eingriffe ausführen, Krebs hervorrufen kann.

Quelle: Stereotaxis

Das manuelle Verfahren erfordert zudem zahlreiche Fähigkeiten, die kostspielige Schulungen benötigen, 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 ferngesteuerte magnetische Navigation für Operationen nutzt, wäre es logisch, dass das Unternehmen in einer Spitzenposition ist, um das Aufkommen der magnetischen Robotik zu nutzen.

Sein Ruf für sicherere als normale Verfahren mittels magnetischer Robotik könnte ebenfalls entscheidend sein, um medizinische Fachkräfte davon zu überzeugen, dem Unternehmen bei der Implementierung mobiler Robotik in den Kehlen, Fortpflanzungssystemen oder Atemwegen von Patienten zu vertrauen.

2. 3D Systems Corporation

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

Diese Akquisition verschafft 3D Systems (DDD ) einen Vorsprung im Bereich des Drucks biologischer Materialien. Derzeit vermarktet es 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 Anwendungsmöglichkeiten für ferngesteuerte magnetische Roboter im medizinischen Bereich interessiert sein könnte.

Wenn weiche Robotik zu einer Methode wird, die Peristaltik zu „reparieren“, können wir erwarten, dass 3D Systems Teil dieser medizinischen Revolution wird und dabei hilft, die relevanten Teile und Werkzeuge für diese neuen Therapien 3D‑zu‑drucken.

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