3D-Druck und magnetische Aktuierung: Überwindung der Größenbeschränkung von Endoskopen

Antreibbare Endoskope, die mit traditionellen Methoden hergestellt werden und optische Komponenten, Aktuatoren und mechanische Strukturen integrieren, sind in ihrer Miniaturisierungsfähigkeit begrenzt, wobei ein äußerer Gesamtdurchmesser typischerweise 1 mm überschreitet. Dies stellt Herausforderungen für den Zugang zu den feinsten Blutgefäßen und engen Lumina im menschlichen Körper dar.

Im Jahr 2025 hat eine in Communications Engineering, einer Schwesterzeitschrift von Nature, veröffentlichte Studie einen bahnbrechenden Fortschritt erzielt. Heute werden wir diesen Forschungsbericht interpretieren.

Diese kollaborative Studie der Universität Stuttgart in Deutschland und anderer Institutionen schlug ein hochkompaktes, magnetisch angetriebenes 3D-gedrucktes endoskopisches Mikrosystem vor und verifizierte es. Sein Kern liegt in der Kombination von Zwei-Photonen-Polymerisations-3D-Drucktechnologie und magnetischer Aktuierung, die die einstufige integrierte Herstellung eines vollständigen Mikrosystems mit optischen, mechanischen und mikrofluidischen Strukturen direkt auf der Stirnfläche eines Bildfaserbündels ermöglicht.

Die Funktionsweise dieser neuen Technologie ist möglicherweise schwer zu verstehen, und der Kernpunkt liegt zunächst in der Formulierung "einstufige integrierte Fertigung". Traditionelle Methoden beinhalten die separate Herstellung von Mikrokomponenten wie Mikrolinsen, Mikrofedern und Mikromagneten, die dann unter einem Mikroskop wie bei einer mikrochirurgischen Operation zusammengebaut werden – ein Prozess, der äußerst schwierig und fehleranfällig ist. Im Gegensatz dazu realisiert diese neue Technologie "einmaliges Drucken, integrale Formgebung": Alle Komponenten werden als zusammenhängendes Ganzes gedruckt, von Natur aus eine einzige Einheit, wodurch die albtraumhaften Mikromontageschritte vollständig entfallen.

Durch den Wegfall des mühsamen Mikromontageprozesses werden komplexe und präzise mikrooptische Systeme in einem Schritt per 3D-Druck gefertigt.

Elektromagnetische Mikrospulen sind in das System integriert, und das durch elektrischen Strom gesteuerte Magnetfeld treibt die in die Mikrostruktur eingebetteten polymergebundenen Magnete an, wodurch eine präzise Bewegung optischer Komponenten erreicht wird.

Der Gesamtdurchmesser aller demonstrierten Systeme wurde erfolgreich unter 900 Mikrometern (0,9 mm) gehalten, wobei das kompakteste Rotationsaktuationssystem nur etwa 660 Mikrometer im Durchmesser misst und eine bemerkenswerte Miniaturisierung von antreibbaren endoskopischen Geräten realisiert.

Das Forschungsteam demonstrierte drei magnetisch betätigbare Mikrosysteme mit unterschiedlichen Funktionen, die Endoskopen die Fähigkeiten zum Zoomen, zur hochauflösenden Bildgebung bzw. zur Panoramaansicht verleihen.

Prinzip: Eine Mikrolinse wird von drei Schraubenfedern getragen und in einen axial magnetisierten Polymermagneten eingebettet. Bei Stromzufuhr drückt das von der Elektromagnetspule erzeugte Magnetfeld den Magneten und die Linse entlang der optischen Achse zu bewegen.

Funktion: Die Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der Linse ändert die Brennweite, um einen Zoom zu erzielen (in Experimenten wurde ein Zoomverhältnis von etwa 1,3 erzielt), und sie kann auch zum erneuten Fokussieren bei unterschiedlichen Objektentfernungen verwendet werden, ohne das gesamte Endoskop zu bewegen.

Abmessungen: Das Mikrosystem selbst hat einen Durchmesser von 500 Mikrometern und ist auf einer 500-Mikrometer-Glasfaser integriert, mit einem Gesamtdurchmesser von etwa 810 Mikrometern.

Prinzip: Ein speziell entwickelter flexibler Scharnier (z. B. vier parallele Blattfedern) ermöglicht dem Mikrolinsen eine präzise laterale Translation unter Einwirkung eines Magnetfeldes.

Funktion: Eine laterale Bewegung verursacht eine leichte Verschiebung des abbildenden optischen Pfades, wodurch mehrere leicht versetzte Bilder desselben Objekts aufgenommen werden. Durch die Fusion dieser Bilder mittels Algorithmen kann das inhärente "wabenartige" Pixelungsproblem von abbildenden Faserbündeln effektiv überwunden und die Bildauflösung erheblich verbessert werden. Experimente haben gezeigt, dass die rekonstruierten Bilder ursprünglich nicht unterscheidbare Streifen klar unterscheiden können.

Abmessungen: Der Gesamtdurchmesser beträgt ebenfalls etwa 810 Mikrometer.

Prinzip: Ein Mikroprisma mit einem exzentrischen Polymermagneten ist über zwei Torsionsstäbe montiert. Ein axialer Magnetfeld treibt den Magneten an, wodurch sich das Prisma um seine Achse dreht (in Experimenten wurde ein Drehwinkel von ca. -6,9° bis +9,0° gemessen).

Funktion: Die Drehung des Prismas ändert die Richtung des optischen Pfades und übersetzt und erweitert dadurch das beobachtete Sichtfeld. Dies ermöglicht es Klinikern, laterale Bereiche zu betrachten, ohne das Endoskop selbst bewegen zu müssen, was die Situationserkennung in engen Räumen verbessert.

Abmessungen: Auf einer 350-Mikrometer-Glasfaser gedruckt, hat das Gesamtsystem einen Durchmesser von nur etwa 660 Mikrometern und ist damit das kompakteste der drei.

Diese Studie stellt einen wichtigen Fortschritt bei der Miniaturisierung von steuerbaren Endoskopen dar. Durch die Kombination von modernster Mikro-/Nano-3D-Drucktechnologie mit einem ausgeklügelten magnetischen Aktuierungsdesign ebnet sie einen völlig neuen technischen Weg für zukünftige ultrapräzise minimalinvasive Chirurgie und Diagnostik in extrem engen Räumen wie Herzgefäßen, dem Nervensystem und pädiatrischen Anwendungen. Wenn das "Auge" eines Endoskops nicht nur "sehen", sondern auch "zoomen", "schwenken" und klarer sehen kann, werden die Grenzen der minimalinvasiven Medizin erneut erweitert.

Zitierungsquelle:

Rothermel, F., Toulouse, A., Thiele, S. et al. Magnetisch betätigbare 3D-gedruckte endoskopische Mikrosysteme. Commun Eng 4, 69 (2025). https://doi.org/10.1038/s44172-025-00403-8