Zielgerichtete Medikamentenfreisetzung rückt mit den neuesten Bubble‑Bots näher an die Verwirklichung

Robotik wird mit jedem Jahr immer beliebter, da die Nachfrage nach effizienten und kostengünstigen Lösungen steigt.

Da die Robotertechnologie Komfort und verbesserte Sicherheit bietet und die Integration von künstlicher Intelligenz und maschinellem Lernen fortschrittlichere Roboterfähigkeiten ermöglicht, ist es nicht überraschend, dass der globale Robotikmarkt voraussichtlich bis zum Ende dieses Jahrzehnts $200 Milliarden bis zum Ende dieses Jahrzehnts übersteigen wird.

Ein weiteres Zeichen für die wachsende Nutzung von Robotik ist die weltweite Installation von Industrierobotern, die 541.302 im Jahr 2023 erreichte, die zweithöchste Jahresinstallation in der Geschichte. Der Rekord wurde im Vorjahr aufgestellt, als 552.946 Einheiten installiert wurden.

Damit hat die Gesamtzahl der einsatzbereiten Roboter weltweit einen neuen Höchststand von etwa 4,3 Millionen Einheiten erreicht, wobei Asien mit 70 % das Wachstum anführt, gefolgt von Europa mit 17 % und dann Amerika mit 10 %. Beim Roboterbau liegt Japan mit einem Marktanteil von 46 % an der Spitze.

Laut der International Federation of Robotics (IFR) wird das Wachstum der Robotik im Jahr 2025 beschleunigen und in den kommenden Jahren dieses Tempo beibehalten.

Jetzt, wenn es um die Branchen geht, die das massive Wachstum der Robotik vorantreiben, führt die Automobilindustrie, gefolgt von Elektronik, Metall und Maschinenbau, Abfallwirtschaft, Landwirtschaft, Einzelhandel, Bauwesen und Gastronomie, die ebenfalls Roboter einsetzen.

Roboter im Gesundheitswesen

Während Roboter in vielen Branchen eingesetzt werden, gibt es einen Sektor, in dem ihr Einfluss weitaus größer und positiver ist – die Medizin. Der globale Markt für medizinische Robotersysteme wächst rasant, und man schätzt, dass seine Größe von $16 Milliarden im Jahr 2024 auf $33,8 Milliarden bis 2029 zunehmen wird.

Roboter werden in allen Bereichen des Gesundheitswesens eingesetzt, von der Medikamentenversorgung und Rehabilitation bis hin zu Diagnostik, Chirurgie und Medikamentenabgabe.

Zum Beispiel werden robotergesteuerte Arme zum Mischen, Dosieren, Zählen und Inspektieren verwendet, während programmierte Versorgungssysteme Artikel an spezifische Orte liefern.

Diese autonomen mobilen Roboter vereinfachen Routineaufgaben für medizinisches Personal, indem sie die körperliche Belastung der Mitarbeitenden reduzieren und dem Fachkräftemangel entgegenwirken. Sie überwachen zudem den Bestand und stellen sicher, dass alle Vorräte jederzeit verfügbar sind, zusätzlich zu Raumdesinfektion und Vorbereitung für Patienten.

Indem sie all diese Routineaufgaben übernehmen, ermöglichen autonome mobile Roboter dem medizinischen Personal, sich auf Patienten und deren spezifische Bedürfnisse zu konzentrieren, die von der Technologie nicht erfüllt werden können. Der Roboter namens Tug von Aethon ist ein Beispiel dafür, dass er sich durch schwierige Bedingungen bewegen kann, um sichere Lieferungen genau dort und dann zu tätigen, wo sie benötigt werden.

Diese Roboter tragen zudem zu einem sicheren Arbeitsumfeld bei, indem sie Reinigungs‑, Desinfektions‑ und Transportaufgaben in Krankenhäusern und Regionen übernehmen, in denen ein Pathogenrisiko besteht.

Laut den Centers for Disease Control and Prevention (CDC) hat etwa ein von 31 Krankenhauspatienten an einem beliebigen Tag mindestens eine nosokomiale Infektion. Dies liegt an der Unfähigkeit der Krankenhäuser, Räume vollständig zu desinfizieren. Um solche Probleme zu adressieren, werden automatisierte Roboter wie der von der FDA zugelassene Xenex entwickelt, die gepulste UV‑Strahlen nutzen, um Krankenhauszimmer in wenigen Minuten zu sterilisieren.

Technologische Innovationen haben zudem zu fortschrittlichen chirurgischen Assistenzrobotern geführt, die Chirurgen helfen, bei komplexen Eingriffen schneller und genauer zu arbeiten.

Ein mehrarmiger Wunderroboter namens da Vinci Surgical System ist ein solches System, das Operationen weniger invasiv macht, chirurgische Fehler reduziert und eine verbesserte Kontrolle bietet. Der Cyberknife ist ein weiteres System, das Krebs behandelt, indem es Tumoren mit extrem präziser Strahlentherapie versorgt.

Dann gibt es pharmazeutische Roboter, die wegen der alternden Bevölkerung und chronisch kranker Menschen, die kontinuierliche Medikation und präzise Behandlung benötigen, stark an Bedeutung gewinnen. Durch die Automatisierung kritischer, meist manuell und zeitaufwendig durchgeführter Prozesse verbessern pharmazeutische Roboter zudem Qualität und Präzision.

Roboter für die Medikamentenabgabe 

Angetrieben von technologischen Fortschritten und dem wachsenden Bedarf an Automatisierung in der Medikamentenentwicklung und Patientenversorgung machen Roboter die Medikamentenabgabe effizienter und präziser, was die Patientenversorgung verbessert.

Unternehmen entwickeln Mikro‑ und Nanoroboter, die eigenständig zu schwer erreichbaren Stellen navigieren und dabei von chemischen Reaktionen oder externen Quellen wie Licht, elektrischen Feldern oder Magnetfeldern angetrieben werden. Durch das gezielte Ansteuern von Krankheitsherden verbessern diese Roboter die therapeutische Wirksamkeit und reduzieren Nebenwirkungen.

Vor ein paar Jahren entwickelte ein Forscherteam MANiACs, winzige taumelnde Roboter mit magnetischen Nanoröhren in einer weichen kugelförmigen Hülle. Im Jahr 2022 baute ein Maschinenbauingenieur der Stanford University multifunktionale drahtlose Roboter für denselben Zweck.

Und vor nur wenigen Monaten entwickelten Forscher der NTU Singapore körnchengroße weiche Roboter für die gezielte Medikamentenabgabe. Der Roboter, der aus magnetischen Mikropartikeln besteht und mittels Magnetfeldern gesteuert wird, kann bis zu vier verschiedene Medikamente transportieren und sie in neu programmierbaren Dosen und Reihenfolgen freisetzen.

Diese Forschung baut auf der vorherigen Arbeit des Teams auf, die magnetisch gesteuerte Miniaturroboter entwickelte, die winzige Objekte greifen und durch enge Räume schwimmen können, neben anderen komplexen Bewegungen.

Inspiriert von dem Science‑Fiction‑Film der 1960er‑Jahre „Fantastic Voyage“, in dem eine Crew auf Zellgröße geschrumpft wird, um Schäden im Gehirn eines Wissenschaftlers zu reparieren, bringt die Forschung Fantasie in die Realität.

Der hochgradig geschickte Roboter bewegte sich in Laborexperimenten mit Geschwindigkeiten zwischen 0,30 mm und 16,5 mm pro Sekunde, lieferte Medikamente erfolgreich in herausfordernden Umgebungen und zeigte selbst nach acht Stunden kontinuierlicher Bewegung nur minimale Medikamentenverluste.

Das NTU‑Team untersucht nun, diese Roboter noch kleiner zu machen, um sie schließlich zur Behandlung von Blasenkrebs, Hirntumoren und Darmkrebs einzusetzen.

Microbots: Tiny Robots That Revolutionize Precision Medicine

Mikroroboter nutzen miniaturisierte Sensoren und Aktuatoren, um Aktionen auszuführen, für die sie programmiert wurden. Ihre Mikron‑Größe ermöglicht den Einsatz in Umgebungen, die traditionell zu komplex und schwer zugänglich waren. Diese Fähigkeit macht sie unverzichtbar für minimalinvasive Chirurgie, Krankheitsdiagnostik, Entgiftung und präzise Medikamentenabgabe.

Allerdings sind sie nicht ohne Herausforderungen hinsichtlich ihrer Wirksamkeit und Lokalisierung im tiefen Gewebe.

Ein weiteres großes Problem ist, dass sie sich als mehr Show als Substanz erwiesen haben. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden mehrere Versionen von Mikro‑ oder Nanorobotern veröffentlicht, aber bislang waren ihre Anwendungen in lebenden Systemen eher begrenzt. Zudem ist das präzise Bewegen von Objekten in komplexen Bioflüssigkeiten wie Speichel, Urin und Blut ebenfalls sehr anspruchsvoll.

Weitere Hindernisse für Nanoroboter umfassen die Echtzeit‑Erkennung im Körper und die präzise Fernsteuerung für gezielte Therapien.

Außerdem stellt sich bei der Konstruktion dieser Mikroroboter die Frage, ob sie verkabelt oder unverkabelt sein sollten. Für einen unverkabelten Mikroroboter, der im menschlichen Körper effektiv arbeiten soll, sind eine stabile Antriebskraft durch Bioflüssigkeiten, hohe Nutzlastkapazität, hohe Biokompatibilität (um chirurgische Entfernung zu vermeiden), verbesserte Bildgebung für Echtzeit‑Visualisierung und präzises Targeting erforderlich.

Hier zeigen akustisch angetriebene Roboter ein erhebliches Potenzial, da sie tiefe Gewebedurchdringung, nicht‑invasive Bedienung, schnelle Reaktion, starke Antriebskräfte und Sicherheit bieten.

Forscher von Caltech stellten daher BAM vor – einen hydrogelbasierten, bildgeführten, bioresorbierbaren akustischen Mikroroboter, der sich mit hoher Stabilität im menschlichen Körper bewegen kann. BAM ist kein metallischer Humanoid oder bio‑mimetischer Roboter, sondern eine winzige, blasenartige Kugel.

Laut dem Ko‑Korrespondenzautor des Artikels über die Bots, Wei Gao, Professor für Medizintechnik an Caltech und Investigator am Heritage Medical Research Institute:

„Wir haben eine einheitliche Plattform entwickelt, die all diese Probleme lösen kann.“

In ihrer Forschung stellten die Wissenschaftler fest, dass die Bots in Tests den Forschern ermöglichten, Therapeutika erfolgreich zu liefern, die die Größe von Blasentumoren bei Mäusen verringerten.

„Anstatt ein Medikament in den Körper zu geben und es überall diffundieren zu lassen, können wir unsere Mikroroboter jetzt gezielt zu einer Tumorstelle führen und das Medikament kontrolliert und effizient freisetzen.“

– Gao

Während die BAM‑Technologie weiter voranschreitet, erwartet die Studie, dass das Gerät einen erheblichen Einfluss auf den Gesundheitssektor und die Patientenversorgung haben wird.

Das Design & die Entwicklung von BAM

Der neue Mikroroboter, der kugelförmige Mikrostrukturen besitzt, besteht aus einem Hydrogel namens Poly(ethylene‑glycol)‑Diacrylat. Hydrogel liegt zunächst flüssig oder als Harz vor, wird jedoch fest, sobald das Polymernetzwerk darin vernetzt ist.

Durch diese Zusammensetzung und Mikrostruktur können Hydrogele große Mengen Flüssigkeit speichern, was dem Team hilft, das Problem der Biokompatibilität der Roboter zu überwinden. Gleichzeitig ermöglicht die additive Fertigung der äußeren Kugel, das therapeutische Cargo zu einem Zielort im Körper zu transportieren.

Die Mikrostrukturen und das Hydrogel‑Rezept wurden mit Unterstützung von Julia R. Greer, der Ko‑Korrespondenzautorin, sowie Ruben F. und Donna Mettler, Professoren für Materialwissenschaft, Mechanik und Medizintechnik, hergestellt.

Hierfür nutzte ihre Gruppe die Zwei‑Photon‑Polymerisation (TPP)‑Lithografie. In dieser 3‑D‑Druck‑Methode wird ein Laser verwendet, um komplexe Strukturen zu erzeugen. Ultra‑schnelle Impulse von Infrarot‑Laserlicht werden eingesetzt, um photosensitive Polymere selektiv zu vernetzen, während ein spezifisches Design befolgt wird.

Die TPP‑Lithografie baut im Grunde eine hochauflösende Struktur Schicht für Schicht auf, sodass das Team komplexe Formen mit hoher Präzision realisieren kann. Die Gruppe konnte Mikrostrukturen drucken (schreiben), die etwa 30 µm im Durchmesser messen – etwa die Dicke eines menschlichen Haares.

Bezüglich der kugelförmigen Struktur bemerkte Greer, dass sie „sehr kompliziert zu schreiben“ sei und ein gewisses Fachwissen über „bestimmte Tricks des Handwerks“ erfordere, um ein Zusammenfallen der Kugeln zu verhindern. Daher ist es ein großer Erfolg, dass das Team sie herstellen konnte.

„Wir konnten nicht nur das Harz synthetisieren, das alle Bio‑Funktionalisierungen und medizinisch notwendigen Elemente enthält, sondern wir konnten es in einer präzisen kugelförmigen Form mit der erforderlichen Kavität schreiben.“

– Greer

Dies ist die innere Struktur der Kugel, und hinsichtlich der äußeren Struktur werden die Mikroroboter in ihrer Endform magnetische Nanopartikel und das therapeutische Medikament integrieren.

Die magnetischen Nanopartikel ermöglichen es den Forschern, die Roboter mit einem externen Magnetfeld zu steuern und zu einem gewünschten Ort zu führen. Sobald sie das Ziel erreichen, verbleiben die Roboter dort und das Medikament verteilt sich passiv.

Bezüglich der Außenseite des Mikrostructures gestaltete das Team diese hydrophil, also wasseranziehend. Das verhindert, dass die einzelnen Roboter im Körper aneinander haften.

Im Gegensatz zur äußeren Oberfläche ist die innere Oberfläche nicht hydrophil, sondern hydrophob, da sie eine Luftblase einfangen muss, die leicht zu lösen ist.

Um einen hybriden Mikroroboter zu bauen, dessen Außenseite Wasser anzieht, die Innenseite jedoch abstößt, entwickelte das Team eine chemische Modifikation.

Diese Modifikation bestand aus zwei Schritten: Im ersten Schritt wurden langkettige Kohlenstoffmoleküle an das Hydrogel gebunden, wodurch es hydrophob wurde. Im zweiten Schritt nutzten die Wissenschaftler die Sauerstoff‑Plasma‑Ätztechnik, um die Kohlenstoffstrukturen von der Außenseite zu entfernen und diese hydrophil zu machen.

Sie bezeichneten ihre chemische Modifikation als „eine der wichtigsten Innovationen dieses Projekts“; Gao erklärte, dass die asymmetrische Oberflächenmodifikation es ihnen ermöglichte, „viele Roboter zu verwenden und dennoch Blasen für einen verlängerten Zeitraum in Bioflüssigkeiten wie Urin oder Serum zu fangen.“

Nach der Demonstration des Teams konnten die Blasen mehrere Tage lang bestehen, im Gegensatz zu nur wenigen Minuten ohne diese Technik.

Nun, warum müssen wir diese Blasen überhaupt einfangen? Nun, eingefangene Blasen sind notwendig, um die Roboter zu bewegen und sie in Echtzeit‑Bildgebung zu verfolgen.

Um den Mikroroboter vorwärts zu bewegen, haben die Forscher die Kugel mit zwei zylinderförmigen Öffnungen ausgestattet. Das Team stellte fest, dass zwei Öffnungen den Robotern ermöglichen, in verschiedenen Bioflüssigkeiten mit höheren Geschwindigkeiten zu schwimmen als eine einzelne Öffnung.

Wird die Kugel einem Ultraschallfeld ausgesetzt, vibrieren die Blasen im Inneren, wodurch die umgebende Flüssigkeit vom Roboter weggeströmt wird und dieser dadurch vorangetrieben wird.

Die in jeder Mikrostruktur gefangene Blase dient zudem als hervorragender Ultraschall‑Kontrastmittel, wodurch die Roboter in vivo in Echtzeit überwacht werden können.

Das Team testete die Mikroroboter anschließend als Medikamenten‑Abgabewerkzeug bei Mäusen mit Blasentumoren. In 22 Tagen wurden vier Therapeutika‑Lieferungen mit Hilfe der Mikroroboter durchgeführt. Diese Lieferungen erwiesen sich als erfolgreicher bei der Tumor‑Reduktion als solche ohne Roboter. Laut Gao:

„Wir halten dies für eine sehr vielversprechende Plattform für die Medikamentenabgabe und Präzisionschirurgie. Blicken wir in die Zukunft, könnten wir prüfen, ob wir diesen Roboter als Plattform nutzen, um verschiedene therapeutische Lasten oder Wirkstoffe für unterschiedliche Krankheitsbilder zu transportieren. Langfristig hoffen wir, dies beim Menschen zu testen.“

Klicken Sie hier, um mehr über klebriges Metall zu erfahren, das weit verbreitete Anwendungen in der Robotik haben könnte.

Investierbares Unternehmen im Bereich der medizinischen Robotik 

Nun werfen wir einen Blick auf ein prominentes Unternehmen in diesem Bereich:

Intuitive Surgical

Dieses Unternehmen mit einer Marktkapitalisierung von 186,6 Milliarden $ ist bekannt für die Entwicklung, Herstellung und Vermarktung des da Vinci‑Chirurgiesystems und des Ion‑Endoluminal‑Systems. Die Produkte und Dienstleistungen von Intuitive Surgical (ISRG ) ermöglichen verbesserte Patientenergebnisse.

Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels werden die Aktien zu 517 $ gehandelt, ein Anstieg von 55,3 % im Jahresverlauf, bei einem EPS (TTM) von 6,2 und einem KGV (TTM) von 84,22. Für das 3. Quartal 2024 meldete das Unternehmen Umsätze von 2,04 Milliarden $, ein Anstieg von 17 % gegenüber dem gleichen Quartal des Vorjahres.

In diesem Zeitraum stiegen die weltweit durchgeführten da Vinci‑Eingriffe um etwa 18 % im Vergleich zu 3Q23, und die installierte Basis wuchs auf 9.539 Systeme, wobei Intuitive Surgical 379 dieser Systeme platzierte. Das Unternehmen erhielt zudem die behördliche Zulassung für das System in Südkorea.

Fazit

Robotik gewinnt weltweit und branchenübergreifend stark an Aufmerksamkeit. Die Nachfrage nach Robotern im Gesundheitswesen ist besonders hoch und wächst dank ihrer Fähigkeit, klinische Arbeitsabläufe zu optimieren, bei Operationen zu assistieren, das Infektionsrisiko zu senken und ein sichereres Umfeld sowie eine hochwertige Patientenversorgung zu bieten.

Die neuesten Forschungen im Bereich der Nanoroboter, wie wir heute festgestellt haben, zeigen einen medizinischen Durchbruch, der die Gesundheitsbranche verändern kann, indem er Erkrankungen behandelt, die nicht nur schwierig, sondern möglicherweise sogar unmöglich zu therapieren sind. Dies ebnet eindeutig den Weg für verbesserte Therapien und eine gesündere Zukunft.

Klicken Sie hier für eine Liste der besten Robotik‑Operationsaktien.