Een goed initiatief van het College van Bestuur om de High Potential Research Programs in het leven te roepen, vindt prof.dr. Rint Sijbesma, hoogleraar supramoleculaire polymeerchemie bij Scheikundige Technologie en leider van ‘Biomimetic Materials’. Vooral omdat het vaak lastig is om multidisciplinair onderzoek gefinancierd te krijgen. De klassieke ‘funding agencies’ zijn namelijk nog niet gewend aan onderzoek op het snijvlak van verschillende disciplines. Sijbesma: “Dan vinden ze het te fysisch, te chemisch, of te fundamenteel. En dat terwijl juist de combinatie van disciplines het onderzoek bijzonder maakt en de mogelijkheid biedt om nieuwe richtingen in te slaan.”

Het onderzoeksvoorstel voor ‘Biomimetic Materials’ is het resultaat van ideeën die zo’n anderhalf jaar geleden zijn ontstaan bij Sijbesma en dr. Kees Storm, verbonden aan de faculteit Technische Natuurkunde en het Instituut voor Complexe Moleculaire Systemen (ICMS) en gespecialiseerd in het modelleren van biologische materialen. Ook dr.ir. Gerrit Peters van Materials Technology (Werktuigbouwkunde) was al snel in beeld. De club werd aangevuld met de Zwitser dr. Hans Wyss, die in januari van Harvard overkwam om bij Materials Technology en het ICMS aan de slag te gaan. Sijbesma: “Met hem erbij hadden we de ideale combinatie van mensen. En het onderzoek dat we in ons hoofd hadden, past precies in plannen van de TU/e: het is interdisciplinair en heeft potentie om uit te groeien tot iets zelfstandigs.”

Zachte materialen
Het binnengehaalde geld -een miljoen euro, verspreid over vier jaar- wordt besteed aan drie promovendi (één aan elke van de betrokken faculteiten: TN, W en ST), aangevuld met kosten voor materiaal en een reisbudget voor bezoekers en uitwisselingsstudenten. Dat laatste is belangrijk, benadrukt Storm. “We willen op termijn een kenniscentrum worden op het gebied van zachte materialen. Dit programma moet daarvoor het grondwerk vormen. We doen in Eindhoven al veel op dit gebied, maar we willen dat ook zichtbaar maken naar buiten toe.”

Zachte materialen, ‘soft matter’, is een onderzoeksgebied dat niet zo eenvoudig te definiëren valt, geeft Storm toe: “Dat is ook wel een probleem. Op elke conferentie op dit vlak komt er wel weer iemand met zijn eigen definitie. Het zijn allerlei rare, interessante materialen die niet doen wat je verwacht; met prachtige interne structuren die zorgen voor die bijzondere eigenschappen. Onze aanpak gaat in ieder geval verder dan alleen het karakteriseren van synthetische polymeren en we willen graag aansluiting vinden bij de bredere gemeenschap van zachte materialen in Nederland. Dat kan met de samenwerking in dit programma.”

Dat programma draait kort gezegd om materialen die bijzonder reageren als ze onder mechanische spanning worden gezet - dus als ze worden uitgerekt of samengedrukt. Met name materialen die minder elastisch worden naarmate ze onderhevig zijn aan grotere krachten. De natuur zit er vol mee. De wand van een bloedvat bijvoorbeeld geeft aanvankelijk heel gemakkelijk mee als de druk van het bloed iets toeneemt, maar wordt die druk te hoog, dan biedt de wand aanzienlijk meer weerstand: een voorbeeld van niet-lineair gedrag. “Het materiaal wordt sterker naarmate het meer van vorm verandert. Dat is een heel nuttige eigenschap: zo wordt voorkomen dat je aorta opblaast als een soort ballon en vervolgens kapot scheurt.”

Regelsysteem
Lang werd gedacht dat er een soort actief regelsysteem in het weefsel van het bloedvat moest zitten, dat bepaalde hoe het op druk moest reageren. “Er waren allerlei ideeën hoe zo’n vorm van mechanosensing zou kunnen werken, maar die mechanismen zijn nooit gevonden”, zegt Storm. Hij werkte in Amerika met biologische vezels, zoals collageen (het hoofdbestanddeel van bindweefsel), actine (dat de cel stevigheid geeft) en fibrine (verantwoordelijk voor het helen van wonden). “Deze vezels, opgebouwd uit eiwitketens, hebben we ook buiten het lichaam onderzocht. Het bleek dat zelfs dit dode materiaal veel van het niet-lineaire gedrag vertoont dat we kennen uit levend weefsel. Het blijkt dus dat er helemaal geen actief proces, met transport van energie, aan ten grondslag ligt.”

Het menselijk lichaam bevat veel van dit soort weefsels die sterk niet-lineair reageren op mechanische krachten. Die bijzondere eigenschappen vloeien voort uit de architectuur van het materiaal, zegt Sijbesma. “Het zijn netwerken van semiflexibele vezels. De respons van het materiaal wordt bepaald door de lengte van de vezels en de hoeveelheid en aard van de dwarsverbanden.”

Dat betekent dat het mogelijk moet zijn om vergelijkbare materialen op kunstmatige wijze te produceren. Bijvoorbeeld uit synthetische polymeren, bij voorkeur opgebouwd uit bouwstenen die in staat zijn om zelf samen te ‘klonteren’ tot lange ketens: zelfassemblage wordt dat genoemd. Storm schetst de mogelijkheden: “Ook biologische vezels ontstaan door zelfassemblage. Nu we weten dat de mechanische eigenschappen van biologisch weefsel in hoge mate door de structuur worden bepaald, biedt dat voor ons kansen om bij Rint in het lab, via zelfassemblage, kunstmatig weefsel te maken met diezelfde eigenschappen.”

Sijbesma: “Het voordeel van synthetische materialen is dat je subtiel aan knopjes kunt draaien om de eigenschappen van het materiaal te beïnvloeden: je wordt niet langer beperkt door de bestaande biologische bouwstenen.” In netwerken met relatief zwakke dwarsverbanden zijn die eigenschappen ook nog eens afhankelijk van omstandigheden als temperatuur en concentratie van bijvoorbeeld ionen, zegt hij. “Daardoor is het bijvoorbeeld mogelijk om de bouwstenen voor synthetisch weefsel als een dunne vloeistof te injecteren, waarna pas in het lichaam de netwerkvorming plaatsvindt.”

Aanknopingspunten
De taakverdeling binnen ‘Biomimetic Materials’ is duidelijk: de groep van Sijbesma produceert de polymeren, Wyss en Peters bestuderen de mechanische eigenschappen hiervan in het lab en Storm zorgt voor een theoretische analyse. Die bevindingen leveren weer aan-knopingspunten voor een volgende generatie polymeren, net zolang tot het materiaal de gewenste eigenschappen heeft. “Daarvoor moet je dicht bij elkaar zitten, en veel met elkaar praten”, zegt Sijbesma. “En dat doen wij.”

Om de structuur van de geproduceerde netwerken tot in detail te bepalen, wordt onder meer gebruik gemaakt van de CryoTEM elektronenmicroscoop. Bovendien kunnen de dwarsverbanden tussen de ketens, die normaal variabel zijn, worden vastgelegd met een chemische reactie - waardoor het materiaal blauw kleurt. Sijbesma: “Als je er dan kracht op uitoefent, verandert het materiaal lokaal van kleur. Breuklijnen kun je dan heel mooi zien, zelfs met het blote oog. Dat levert belangrijke informatie op.”

De onderzoekers hopen op termijn de ontwikkelde materialen in samenwerking met de faculteit Biomedische Technologie toe te passen, bijvoorbeeld als medium voor de kweek van nieuwe hartcellen voor hartpatiënten. Maar vooralsnog zoeken ze naarstig naar getalenteerde, creatieve promovendi en studenten, die de uitdaging willen aangaan buiten de gebaande facultaire paden te treden. Storm: “Je kunt zoveel leren van collega’s uit aanpalende vakgebieden. Tegen studenten zou ik willen zeggen: welke achtergrond je ook hebt: als je iets bijzonders wilt doen, klop dan bij ons aan. Wij gaan mooie dingen doen.”/.