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Mikroroboter zerstören Bakterien-Burgen

3D-geformte Putz-Roboter können magnetisch durch den Kanal eines Zahns gesteuert werden. (Bild: Hwang et al., Sci. Robotics)

Hartnäckige Beläge, in denen Bakterien hausen: Sogenannte Biofilme können in der Form von Zahnbelag oder Schichten auf medizinischen Geräten erhebliche Probleme verursachen. Nun präsentieren Forscher ein neues Konzept zur Beseitigung der schleimigen Bakterien-Burgen: Sie haben magnetische Mikroroboter entwickelt, die Biofilme in Laborgeräten und menschlichen Zähnen aufbrechen und die Bewohner beseitigen können. Aus diesem Ansatz könnte sich eine neue Bekämpfungsstrategie entwickeln, hoffen die Wissenschaftler.

Gemeinsam sind wir stark! Diese Strategie nutzen auch Bakterien: Unter bestimmten Bedingungen bilden sie hartnäckige Strukturen, in dem sie sich durch klebrige Ausscheidungen vernetzen. Diese Biofilme dienen den Mikroben gleichsam als Burgen, in denen sie vor äußeren Einflüssen und Bekämpfungsmaßnahmen geschützt sind. Haben sich die schleimgepanzerten Kolonien erst einmal etabliert, lassen sie sich nur noch schwer beseitigen und können Infektionsherde darstellen oder Strukturen angreifen. Neben ihrer Rolle in der Zahnmedizin sind die Biofilme beispielsweise auch ein Problem auf teuren medizinischen Geräten. Die bisherigen Bekämpfungsmethoden führen zu keinen nachhaltigen Erfolgen – deshalb sind neue Konzepte im Kampf gegen Biofilme gefragt.

Eisenhaltiges „Putzpersonal“ im Bann von Magnetfeldern

An entsprechenden Konzepten arbeiten bereits seit einiger Zeit Forscher um Hyun Koo von der University of Pennsylvania in Philadelphia. Eine ihrer Strategie bestand darin, eisenoxidhaltige Nanopartikel einzusetzen. Sie erzeugen über einen katalytischen Prozess Wasserstoffperoxid in den Biofilmen, um die Bakterien abzutöten. Doch auch in diesem Fall ließ die Effektivität des Ansatzes zu wünschen übrig. Wie Koo und seine Kollegen berichten, fanden sie dann heraus, dass eine andere Forschergruppe an der University of Pennsylvania ebenfalls mit Eisenoxid-Nanopartikeln arbeiten: Sie verwenden sie als Bausteine für winzige Roboter, die sich über Magnetfelder steuern lassen. So entwickelte sich schließlich die Idee, beide Ansätze zu kombinieren, berichten die Wissenschaftler.

Aus der Zusammenarbeit gingen schließlich zwei Robotersysteme zur Bekämpfung von Biofilmen hervor, welche die Forscher als katalytische antimikrobielle Roboter (CARs) bezeichnen. Bei der einen Version handelt es sich um eine Art steuerbaren Schwarm aus Eisenoxid-Nanopartikeln. Sie befinden sich in einer flüssigen Suspension, die durch Magnete gerichtet bewegt werden kann. Diese magnetischen Tropfen können die Forscher ferngesteuert über eine Oberfläche wandern lassen, auf der ein Biofilm sitzt. Dabei werden freie Radikale freigesetzt, die die Matrix des Biofilms zersetzen und die Bakterien abtöten, während die Bewegung der Nanopartikel den Belag physikalisch aufreißt. So konnten die Wissenschaftler Biofilme des Bakeriums Streptococcus mutans beseitigen – und zwar so effektiv, dass sie sich auch nach längerer Zeit nicht rückbildeten.

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3D-Gebilde fräsen sich durch Zahnkanälchen

Bei der zweiten Roboter-Version handelt es sich um komplexere Modelle: Die kleinen, aber makroskopischen Gebilde bestehen aus weichem Polymermaterial, in das die Eisenoxid-Nanopartikel eingebettet sind. So können die Gebilde ebenfalls per Fernsteuerung durch Magnetfelder bewegt und in Rotation versetzt werden. Mit diesen Robotern säuberten die Wissenschaftler zunächst feine Röhren, in denen sich Biofilme gebildet hatten. Anschließend setzten die Forscher sie auch zur Bekämpfung der Beläge in schwer zugänglichen Teilen menschlicher Zähne ein. Wie sie berichten, waren die CARs in der Lage, sogar die engen Korridore zwischen Wurzelkanälen zu säubern, in denen sich häufig problematische Biofilme bilden.

„Bestehende Behandlungen für Biofilme sind unwirksam, weil sie nicht gleichzeitig die Schutzmatrix abbauen, die eingebetteten Bakterien abtöten und die biologisch abgebauten Produkte physikalisch entfernen können“, sagt Koo. „Diese Roboter sind in der Lage, alle drei Aufgaben auf einmal zu erledigen und es bleibt keinerlei Spur von den Biofilmen übrig“, resümiert Koo.

Somit zeichnet sich konkretes Potenzial ab, sagen die Forscher: CARs könnten einmal genau dorthin gelenkt werden, wo Biofilme entfernt werden müssen, sei es im Inneren von Kathetern, in feinen Leitung oder in schwer zugänglichen Zahnbereichen. Um ihre Innovation auf den Weg zur klinischen Anwendung zu bringen, erhält das Team nun eine Förderung, berichtet die University of Pennsylvania. Man darf also gespannt sein, was sich aus dem interessanten Konzept entwickeln wird.

Quelle: University of Pennsylvania, Science Robotics, doi: 10.1126/scirobotics.aaw2388

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