Lebende Algen-Schwärme teilen sich, verschmelzen und liefern Lichttherapie

Durch das Projizieren über maßgeschneiderte Masken leiteten die Forscher die Algen in dicht gepackte Formationen, die hin zu kontinentartigen Strukturen reichen. Rotes Licht umkehrte diesen Prozess und bewirkte, dass sich die Schwärme auflösten und wieder frei schwimmen konnten.

Die Forscher betonen, dass dieser Ansatz einen neuen Weg zur Steuerung des kollektiven Verhaltens biohybrider Mikroroboter für medizinische und umweltbezogene Anwendungen bietet. Die Studie demonstrierte zudem ein Konzept für eine KI-gestützte Wundbehandlung. Forscher nutzten Bildsegmentierungssoftware, um verdächtige Wundbereiche zu identifizieren und eine passende Lichtmaske zu generieren.

Anschließend wurden die Mikro-Roboter auf medizinischem Klebeband montiert und direkt in den Wundbereich freigesetzt. Lichtgesteuerte lebende Schwärme Im Gegensatz zu synthetischen Mikro-Robotern, die häufig auf Magnete oder Schallwellen angewiesen sind, nutzt das neue System die natürliche lichtempfindliche Verhaltensweise der Algen.

Haltbarkeit im Praxistest

Unter blauem Licht ballen sich die Mikroorganismen zusammen und wandern zur Flüssigkeits-Gas-Grenzfläche, wodurch dichte Schwärme entstehen. Rotes Licht versetzt sie wieder in einen freien Schwimmzustand. Die Forscher zeigten eine reversible Schwarmbildung über mehrere Zyklen mit Formtreue-Scores über 0,95.

Die Schwärme konnten zudem in kleinere Gruppen aufspalten, sich wieder vereinigen und dabei ihre Geometrie bewahrt weiterbewegen. In einem Experiment projizierten das Team Masken in Form der Amerikas und Afro-Eurasias auf mit Algen gefüllte Schalen. Innerhalb weniger Minuten bildeten sich Schwärme, die den projizierten Bereichen entsprachen.

In einem weiteren Test bewegten sich pfeilförmige Schwärme mehrere Millimeter, dabei behielten sie ihre Struktur bei. Die Forscher entwickelten zudem einen probabilistischen Algorithmus, um vorherzusagen, wie sich die Schwärme unter wechselnden Lichtbedingungen verhalten. Das Modell simuliert, wie einzelne Algen je nach Strahlungswellenlänge und -intensität den Clustern beitreten oder diese verlassen.

Moegliche Anwendungen

Intelligente Verbandapplikation Um medizinische Anwendungen zu erforschen, befestigten das Team mit elektrostatischen Wechselwirkungen drug-carrying PLGA-Nanopartikel an die Algen. Anschließend wurden die biohybriden Mikroroboter an simulierten Wunden getestet, die auf künstlicher Haut mit synthetischem Wundfluid erzeugt worden waren.

Ein KI-basiertes Bildsegmentierungssystem analysierte die Wunden und erzeugte individuelle Masken, die entzündete oder infizierte Geweberegionen genau abbildeten. Unter blauem Licht montierten sich die Mikroroboter auf medizinischem Klebeband in der exakten Geometrie der Wunde. Nachdem das Band über das Zielareal gelegt wurde, löste rotes Licht die schnelle Freisetzung der Mikroroboter aus.

Die Forscher berichteten, dass fast 90 Prozent der Biohybride innerhalb in die Wundhöhle überführt wurden. Das Team stellte fest, dass die Technologie derzeit noch auf oberflächliche Anwendungen beschränkt ist, da die Lichtdurchdringung in Gewebe weiterhin eine Herausforderung darstellt.

Zukünftige Arbeiten werden sich auf die Beladung der Mikro-Roboter mit therapeutischen Wirkstoffen und deren Tests in lebenden Systemen konzentrieren. Die Studie wurde in der Zeitschrift Science Advances veröffentlicht.