Met het blote oog is het niet te zien, maar videobeelden gemaakt met een microscoop tonen iets wat er uitziet als een plastic ringband, zoals studenten die gebruiken om verslagen mee in te binden. De ringband op de video opent en sluit zich met regelmatige tussenpozen. We kijken naar een rij kunstmatige trilhaartjes, aangestuurd met een elektrisch signaal.

De vinding haalde de cover van het tijdschrift Lab on a Chip. En dat is ook letterlijk wat deeltijdhoogleraar werktuigbouwkunde Den Toonder voor ogen heeft: een microlaboratorium dat gebruikt moet worden voor diagnostische toepassingen. De professor, die vier dagen per week werkt voor Philips Research, vertelt: “We willen het mogelijk maken om snel bloed, speeksel, of urine te analyseren. Bijvoorbeeld om te kijken of iemand een infectieziekte heeft, of voor onderzoek naar kanker. Die analyses worden nu uitgevoerd in grote ziekenhuislaboratoria. Wij willen een handzamer, sneller en goedkoper systeem maken dat hetzelfde kan doen.”

Creditcard
De kern van dat systeem past op een glasplaatje zo groot als een creditcard. De te onderzoeken vloeistof wordt door een netwerk van microkanaaltjes en -kamertjes op het glasplaatje gestuurd. Den Toonder: “Het is voor diagnostiek heel belangrijk dat we vloeistoffen kunnen mengen, om zo chemische reacties mogelijk te maken. Het probleem is echter dat dit in microsystemen heel moeilijk gaat. In grotere systemen, zoals een kopje thee, gebruik je turbulentie om te mengen: je maakt wervels van allerlei afmetingen en draairichtingen. Microkanaaltjes zijn eigenlijk te klein om turbulentie op te wekken. In theorie kan het wel, maar dan moet je de vloeistof met vele tientallen kilometers per uur door de kanaaltjes persen, zodat je het systeem opblaast.” Op microschaal is de vloeistof gewoon te stroperig om turbulente stroming mogelijk te maken.

De uitdaging is dus om in zulke kleine systemen met speciale trucs toch wervels van verschillende afmetingen op te wekken, wat een voorwaarde is om vloeistoffen te mengen. Den Toonder en zijn collega’s hebben zich hierbij laten inspireren door het eencellige pantoffeldiertje, dat aan de buitenkant bekleed is met een paar duizend zogenaamde trilhaartjes, of cilia. Deze bewegen op zo’n manier heen en weer dat het diertje zich bijzonder vlug door het water kan voortbewegen. Den Toonder: “Sommige van die beestjes zwemmen wel tien keer hun lichaamslengte per seconde. In verhouding is dat tien keer zo snel als zwemkampioen Pieter van den Hoogenband. Dat mechanisme werkt dus heel goed.”

Flapjes
Den Toonder is er met zijn collega’s van de TU/e en Philips Research in geslaagd om kunstmatige trilhaartjes te maken die klein genoeg zijn om in microkanaaltjes te worden geplaatst. De onderzoekers gebruiken elektrische velden om de trilhaartjes in beweging te brengen: “Het zijn een soort flapjes van honderd micrometer lang, twintig breed, en één micrometer dik. Ze bestaan uit twee laagjes: een polymeer en een dunner laagje metaal dat dienst doet als elektrode. Ze zijn vastgezet op een glasplaatje, waarin ook een laagje geleidend materiaal zit. Dat is de andere elektrode. Als we nu een elektrische spanning zetten over de beide elektrodes, dan wordt het flapje richting het glasplaatje getrokken. In de ruststand is het flapje omgekruld, en het ontrolt zich onder invloed van het elektrische veld.”

De onderzoekers zetten het elektrische veld twintig keer per seconde aan en uit, waardoor de flapjes zich in hetzelfde ritme strekken en weer oprollen. Daarbij brengen ze de vloeistof in beweging. Door rijen van deze kunstmatige trilhaartjes op een slimme manier in de microkanaaltjes te plaatsen, kunnen ze wervels veroorzaken die vloeistoffen doen mengen. De onderzoekers hebben hun glasplaatjes onder de microscoop gelegd en met gekleurde vloeistoffen gekeken of het mengen goed lukte.

“Het bleek heel goed te werken, zelfs beter dan we hadden gedacht,” zegt Den Toonder enthousiast. “We dachten dat we de vloeistof door verschillende segmenten zouden moeten leiden, die elk rijen flapjes met verschillende oriëntaties moesten bevatten. Het bleek echter dat we automatisch zowel grote als kleine wervels maakten, zelfs al binnen één segment van een millimeter. Daarmee hebben we het meest efficiënte mengmechanisme op microschaal gebouwd dat tot dusver bekend is.”

Kleiner
Volgens Den Toonder zouden ze de trilhaartjes nog tien keer zo klein kunnen maken. “Technisch gezien is dat geen probleem. Het systeem wordt dan alleen moeilijker zichtbaar te maken onder de microscoop, vandaar dat we ervoor gekozen hebben om het bij dit formaat te houden. In de uiteindelijke toepassing zullen waarschijnlijk kleinere flapjes gebruikt worden.”

De onderzoekers gaan nu proberen de flapjes magnetisch aan te sturen in plaats van elektrisch. Dat zou de chip een stuk goedkoper maken, omdat je de flapjes dan aan kunt sturen met een externe magneet. Het onderzoek hieraan doet Den Toonder samen met collega’s uit heel Europa, in het Europese project Artic. Voor het zover is, moeten nog wel wat problemen opgelost worden. “Magnetisme werkt relatief slechter naarmate je dingen kleiner maakt, dat is wel een groot nadeel voor zulke kleine systemen. Maar we zijn al aardig op weg.”/.