EINE KAPSEL, DIE AUFPLATZT WIE EINE SAMENKAPSEL

Winzige magnetische Mikroroboter könnten eines Tages durch den Verdauungstrakt navigieren, um Medikamente abzugeben, eine Läsion zu behandeln oder Bilder aufzunehmen. Doch zuerst müssen sie unversehrt dort ankommen – geschützt vor Säure, Schleim und den Bewegungen des Magens – und dann schnell an der richtigen Stelle freigesetzt werden. Heutige Kapseln enthalten entweder Motoren, Federn und Elektronik, was wenig Platz für die Fracht lässt, oder setzen auf „intelligente“ Materialien, die Minuten bis Stunden zum Öffnen brauchen.

Mengfan Zhang, Zike Chen, Rui Xiao, Guoyong Mao und Kollegen an der Zhejiang-Universität in Hangzhou fanden ihre Lösung bei einer Blütenpflanze.

Der Trick einer platzenden Kapsel

Wenn die Samenkapsel der Impatiens balsamina reif ist, bringt eine leichte Berührung sie zum Platzen: Ihre Klappen rollen sich blitzschnell nach innen ein und schleudern die Samen fort. Bei verwandten Arten fliegen die Samen mit etwa 1 bis 4 Metern pro Sekunde davon. Das Prinzip ist eine verriegelte Feder: Die gekrümmten Klappen speichern elastische Energie, und das umgebende Gewebe wirkt als Riegel. Löst man den Riegel, verrichtet die gespeicherte Energie die ganze Arbeit.

Drei Teile

Die Kapsel kopiert diesen Aufbau mit drei Teilen:

• einer weichen Silikonkuppel, die beim Zusammenbau nach innen gestülpt wird – das ist die Feder;
• einem 3D-gedruckten Kunststoffsockel, einem Zylinder von 8 Millimetern Durchmesser und 5 Millimetern Höhe, mit einer kleinen Kammer für die Roboter;
• einem Ring aus Gel aus Gelatine, Carrageen und Eisenoxid-Nanopartikeln – das ist der Riegel.

In einem magnetischen Wechselfeld erhitzen die Nanopartikel das Gel. Es wird weich und reißt von innen, die Kuppel schnappt in ihre Form zurück, und die Kapsel platzt auf. Reine Gelatine würde zwischen 30 und 36 °C schmelzen, zu nah an der Körpertemperatur; der Zusatz von Carrageen hält das Gel bei 37 °C fest, mit einem Übergang zur Flüssigkeit bei 51,6 °C.

Die richtige Feder

Der schwierige Teil war mechanisch. Eine umgestülpte Kuppel kann bistabil sein – einmal umgedrückt, bleibt sie so – und würde sich dann nie wieder öffnen. Sie muss monostabil sein und immer zurückschnappen. Eine zu steife Kuppel würde das Gel aber vor dem Auslösen zerreißen. Mit Computersimulationen kartierte das Team, welche Formen bistabil oder monostabil sind, und stellte fest, dass der Kragen, mit dem die Kuppel verklebt wird, sie in Richtung Bistabilität drückt; die Kuppel muss daher dicker sein als eine Lehrbuchschale. Ihre endgültige Kuppel: 2,6 Millimeter hoch und 1,5 Millimeter dick bei einer halben Spannweite von 5 Millimetern. Mit einer Pinzette freigegeben, fliegt eine solche Kuppel mit 1,21 Metern pro Sekunde weg und löst sich innerhalb von 100 Millisekunden vollständig.

Von der gedruckten Bahn zum Schweinemagen

Im Gesamttest schiebt ein Magnet die geschlossene Kapsel in etwa 70 Sekunden über eine 3D-gedruckte Bahn zu ihrem Ziel. Das Wechselfeld erhitzt das Gel dann von etwa 20 auf 41 °C. Die Kapsel öffnet sich weniger als 50 Millisekunden, nachdem das Gel weich geworden ist, und die Roboter werden mit etwa 1,0 Meter pro Sekunde hinausgeschleudert – das untere Ende des Bereichs der Samen. Ein Magnet sammelt sie dann an ausgewählten Stellen. Die „Roboter“ sind hier kleine Stücke aus magnetischem Elastomer.

An einem Schweinemagen außerhalb des Körpers blieb die Kapsel geschlossen, während sie über das Gewebe gesteuert wurde, und öffnete sich auf Befehl. Das weiche, klebrige Gewebe nahm einen Teil der Energie auf: Die Auswurfgeschwindigkeit sank anfangs auf etwa 0,5 Meter pro Sekunde. Die freigesetzten Roboter ließen sich trotzdem über die Oberfläche steuern. Umgekehrt platziert, öffnet sich die Kapsel sanft, ohne etwas zu schleudern, und der Magnet zieht die Roboter heraus – ein schonenderer Modus.

Die Autoren zählen auf, was noch fehlt: kein Test an einem lebenden Tier, unbekanntes Verhalten des Gels in Magensäure und Verdauungsflüssigkeiten und ein festeres Gel, das auch bei höherer Temperatur schmelzen würde. Vier von ihnen – Mao, Zhang, Chen und Xiao – haben eine Patentanmeldung für die Kapsel eingereicht.