Fortbewegungsverhalten eines Spermium-angetriebenen Mikro-Bio-Systems: Von den Grundlagen zur biomedizinischen Anwendung

• Antragsteller: Professor Dr. Oliver G. Schmidt
• Fachliche Zuordnung: Mikrosysteme ; Biochemie ; Biophysik ; Medizinische Physik, Biomedizinische Technik
• Förderung: Förderung von 2014 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 254852158

Hybride Mikroschwimmer, die einen biologischen Antrieb und eine künstlich hergestellte Mikrostruktur enthalten, sind ein attraktiver Ansatz um kontrollierte Bewegung auf kleinstem Maßstab zu erreichen. Insbesondere bieten biologische Schwimmer eine biokompatible Lösung für die Bewegung und Transport bei kleinen Reynolds Zahlen. Unsere Herangehensweise, um einen hybriden Mikroschwimmer zu entwickeln, besteht aus ferromagnetischen Nanomembranen, die sich zu Mikroröhrchen aufrollen und in der Lage sind, einzelne Spermien einzufangen. Das einzelne Spermium ist fähig, das Mikroröhrchen fortzubewegen, und von außen angelegte Magnetfelder können genutzt werden, um das hybride Mikro-Bio-System zum gewünschten Ort zu lenken. Wie der Titel des Projektes offenbart, ist das Ziel der Arbeit einerseits ein besseres Verständnis des Spermium angetriebenen Mikro-Bio-Systems zu erlangen und andererseits Schritt für Schritt in Richtung Anwendung zu gehen, für die die Mikro-Bio-Systeme besonders vielversprechend sind. Das Hauptziel des ersten Teils des Projektes ist die Studie der Mikro-Bio-Systeme unter realistischen Bedingungen. Dies umfasst Medien mit höherer Viskosität, nicht-Newtonische Flüssigkeiten und andere Faktoren, die in der natürlichen Umgebung von Spermien oder in Körperflüssigkeiten gegeben sind. Des Weiteren werden wir den Einfluss von Reizen auf die hybriden Mikroschwimmer auf deren Eignung als Steuerungsmechanismen untersuchen. Taxis-basierte Mechanismen wie zum Beispiel Rheotaxis (Orientierung in einem Flüssigkeitsstrom) und Thigmotaxis (Berührungsreiz ausgehend von Oberflächen) werden im Fokus unserer Untersuchungen stehen. Besonders herausfordernd ist die Wechselwirkung der verschiedenen Kontrollmechanismen. Weiterhin ist geplant, die Interaktion der Spermium angetriebenen Mikro-Bio-Systeme mit der Kumulusschicht zu untersuchen. Die Kumulusschicht ist eine viskose Zellschicht, die die Eizelle umgibt und die die Spermien auf ihrem Weg zur Befruchtung überwinden müssen. Oberflächenmodifizierungen werden angewendet, um die Kumulusschicht lokal aufzulösen und den Weg für die Spermien freizulegen. Ferner wird das Potential hybrider Mikroschwimmer bezüglich ihrer Eignung als Boten von Wirkstoffen untersucht. Zusammenfassend wird dieses Projekt wichtigen Fortschritt im grundsätzlichen Wissensschatz von Spermienbewegung aber auch hilfreiche Ergebnisse hinsichtlich der möglichen Anwendung der hybriden Mikroschwimmer in Reproduktionstechnologien und Pharmakotherapie beitragen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1726: Mikroschwimmer - Von Einzelpartikelbewegung zu kollektivem Verhalten
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Sarthak Misra, Ph.D.