Weicher Wurmroboter

Forschende an der Universität Freiburg und der Case Western Reserve University (USA) haben sich von Regenwürmern inspirieren lassen und einen Softroboter entwickelt, der in der Lage ist, in kleine Hohlräume vorzudringen und sich auf beliebigen Oberflächen in alle Richtungen fortzubewegen.

Roboter, die weich sind und in ihren mechanischen Eigenschaften und ihrer Form Würmern ähneln, können im Prinzip durch unebenes Gelände und engste Räume kriechen, die anderen Robotern nicht zugänglich sind. Solche Geräte könnten eine Vielzahl verschiedenster Funktionen wahrnehmen: von Such- und Rettungsaktionen über biomedizinische Verfahren wie Endound Koloskopie bis hin zur unterirdischen Erkundung und Kanalinspektion. Im Gegensatz zur wirbellosen Spezies, an die sie angelehnt sind, enthalten die meisten Roboter dieser Art harte Teile wie beispielsweise Motoren, was gewisse mechanische Einschränkungen zur Folge hat. Um hier Abhilfe zu schaffen, haben die Forschenden der Gruppe Polymerchemie und Materialien am Adolphe-Merkle-Institut der Universität Freiburg zusammen mit einem Team der Case Western Reserve University (Cleveland, USA) einen höchstflexiblen Roboter entwickelt, dessen Körper komplett modular aufgebaut ist und fast nur aus weichen Polymeren besteht.

Von Temperaturunterschieden aktiviert

Das Gerät besteht aus Segmenten, die ihrerseits aus doppelschichtigen Polymer-

Aktuatoren zusammengesetzt sind, und welche unter Einwirkung von Wärme ihre Form verändern. Die Segmente können einzeln elektrisch erhitzt und somit aktiviert werden, was eine hochpräzise Steuerung der Bewegungen des Roboters möglich macht. Die Vorwärtsbewegung erfolgt wie bei einem Regenwurm durch das abwechselnde Zusammenziehen und Ausdehnen seiner verschiedenen Segmente. Dank dieser Funktionsweise gelingt es dem Roboter, sich durch Zwischenräume zu zwängen, deren Durchmesser kleiner sind als der seines Körpers im Ruhezustand.

Steuerung und Batterien sollen integriert werden

Im aktuellen Entwicklungsstand ist der Wurmroboter noch extrem langsam und seine Bewegungen erfordern grosse Mengen Energie. Das wissenschaftliche Team bleibt jedoch optimistisch: Der modulare

Aufbau des Roboters soll es ermöglichen, dessen Leistungen durch den Einsatz schnellerer und sparsamerer Aktuatoren zu steigern. In der aktuellen Version wird der Roboter zudem von einer externen Quelle mit Strom versorgt und gesteuert; durch die Integration elastischer Batterien und autonomer Steuerungssysteme könnte er jedoch davon unabhängig werden. Die Ergebnisse dieses Forschungsprojekts wurden in der Fachzeitschrift Advanced Materials veröffentlicht. Die Arbeit wurde gemeinsam finanziert von den wissenschaftlichen Nationalfonds der USA und der Schweiz im Rahmen des PIRE-Programms (Partnerships for International Research and Education) «Bioinspirierte Systeme und Materialien».

Personalisierte Zellprodukte

Hauttransplantate im grossen Massstab

Die derzeitige Standardbehandlung der Autotransplantation weist diverse Mängel auf. Die Cutiss AG hat nun die weltweit erste automatisierte Maschine zur Herstellung von massgeschneiderten Hautgewebetransplantaten für Erwachsene und Kinder mit schweren Hautverletzungen vorgestellt.

Die in Zusammenarbeit mit dem Schweizer Forschungszentrum CSEM entwickelte Maschine demonstriert die Machbarkeit der Automatisierung des Herstellungsprozesses von biotechnologisch hergestellter Haut und soll die derzeit verfügbaren Behandlungsmethoden für schwere Hautdefekte revolutionieren. Daniela Marino, CEO der Cutiss AG, sagt: «Die Haut ist unser grösstes Organ. Wie kann man also schnell und kostengünstig genug Haut produzieren, um diese Patienten zu behandeln? Gemeinsam mit dem Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique CSEM haben wir technologische Lösungen genutzt, um die Denovocast-Maschine zu entwickeln und die Produktion von Denovoskin, unserer personalisierten Hautgewebebehandlung, zu automatisieren.»

Vincent Revol, Leiter Forschung und Geschäftsentwicklung für Life Science Technologies am CSEM, erklärt: «Die automatisierte Herstellung von Zellprodukten in geschlossenen Systemen ist ein Muss für alle regenerativen Therapien, die heute auf den Markt kommen wollen, weil sie das Risiko einer mikrobiellen Kontamination drastisch reduziert und gleichzeitig eine standardisierte Qualität und niedrigere Produktionskosten gewährleistet.»

Bedarf bei schweren Verbrennungen

Wenn Patienten unter grossen und tiefen Verbrennungen leiden, ist die Fähigkeit, schnell, kostengünstig und konsistent grosse Mengen an Hauttransplantaten bereitzustellen, entscheidend. Die Überlebensrate bei schweren Verbrennungen hängt eng damit zusammen, wie schnell eine endgültige Deckung der Wunden erreicht wird. Die Beschleunigung und Skalierung des Kultivierungsprozesses von biotechnologisch hergestellten, personalisierten Hauttransplantaten kann ein entscheidender Faktor sein, um mehr Patienten mit schweren Verbrennungen zu retten und dabei die gesunden Hautspenderstellen der Patienten zu schonen. Jährlich leiden elf Millionen Patienten an schweren Verbrennungen und benötigen eine Hautoperation, um die Hautfunktion wieder- herzustellen. Der Markt für schwere Verbrennungen in der EU und den USA wird auf über zwei Milliarden US-Dollar geschätzt, der Markt für die Rekonstruktion von Brandnarben auf über fünf Milliarden US-Dollar. Die derzeitige Standardbehandlung – die Autotransplantation – ist aufgrund des Mangels an Spenderstellen oft unzureichend, pro duziert zu dünne Haut und führt zu dauerhaften schmerzhaften, schwächenden, entstellenden Narben, die häufig Folgeoperationen zur Korrektur erfordern.

Transplantat soll Hautchirurgie verändern

Die Denovocast-Maschine produziert eine besondere Art von Hautgewebe namens Denovoskin, ein von Cutiss entwickeltes biotechnologisches und personalisiertes dermo-epidermales Hauttransplantat. Dabei handelt es sich um ein innovatives Verfahren, bei dem neue Haut unter Verwendung von körpereigenem Gewebe gezüchtet wird. Denovoskin, das sich in der der Schweiz und der Europäischen

Union in der klinischen Phase IIb befindet und auch auf der Basis von «compassionate use» zugänglich ist, hat einzigartige Eigenschaften, die versprechen, jede derzeitige medizinische Behandlung für grosse und tiefe Hautverletzungen zu übertreffen, mit potenziell lebensrettenden und lebens verändernden Ergebnissen. Es verspricht, mit dem Patienten mitzuwachsen, die Narbenbildung zu begrenzen und die Anzahl der erforderlichen Folgeoperationen drastisch zu reduzieren, insbesondere bei Kindern.

Verbesserte Gewebequalität

Der Prozess für das Bio-Engineering von Denovoskin war bisher manuell, langwierig und erforderte einen kostspieligen Rein raum sowie hochqualifiziertes Personal. Die Denovocast-Maschine automatisiert die Gewebebildung in einem vollständig geschlossenen Prozess, der keine manuel len Eingriffe erfordert. Sie gewährleistet eine gleichbleibende, reproduzierbare Qualität, ermöglicht die gleichzeitige Kulti vierung mehrerer Hauttransplantate und wird die Produktionszeiten voraussichtlich um mehr als 30 Prozent reduzieren. Vin cent Ronfard, Chief Innovation Officer von Cutiss, bemerkt dazu: «Indem wir die Pro duktion von Hauttransplantaten mit dieser bahnbrechenden Technologie hochskalie ren, können wir potenziell viele Patienten erreichen, die eine lebensrettende und lebensverändernde Behandlung benöti gen. Diese Technologie hat potenzielle Anwendungen für die regenerative Medi zin bei anderen Geweben und Organen.» www.cutiss.ch

Gilles Weder, Team Leader Life Microtech nologies von CSEM, ergänzt: «Innovation in der regenerativen Medizin ist eine Her ausforderung in einem stark regulierten Umfeld. CSEM und Cutiss bringen die Dis ziplinen Biologie, Technik und klinische Praxis zusammen, um diese Herausforde rung zu meistern. Für Denovocast haben wir unseren Ansatz mit Spenderzellen in allen Phasen des Entwicklungsprozesses validiert, um einen erfolgreichen Transfer vom Labor in die Klinik zu gewährleisten.» Die Maschine wird nun bei Cutiss in der Forschung getestet, um ihre Effektivität und Effizienz in Forschung und Klinik nach GMP-Regeln zu demonstrieren.

Über die Cutiss AG

Cutiss ist ein Life-Science-Unternehmen in der klinischen Phase, das sich auf die regenerative Medizin der Haut und das Tissue Engineering konzentriert. Das 2017 gegründete Unter nehmen entwickelt die erste personalisierte und automatisierte Hautgewebetherapie für Patienten mit schweren Hautverletzungen.

Über das CSEM

Das Centre Suisse d’Electronique et de Microtechnique CSEM ist ein Forschungsund Entwicklungszentrum mit mehrerern Standorten in der Schweiz, das in den Bereichen Mikrofertigung, Digitalisierung und erneuerbare Energien tätig ist. Das CSEM verbindet Industrie und Akademie und ist Ideenfabrik, Technologie-Kompetenzzentrum, Innovationskatalysator und Digitalisierungsbeschleuniger.

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• Robuste Bio-RP (U)HPLC Scharfe Peaks von Proteinen/Peptiden, Oligonukleotiden oder mAbs.

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