“De laatste jaren is veel onderzoek gedaan naar Lab-on-a-chip. De bedoeling is om op een chip van een centimeter groot allerlei analyses te kunnen doen die normaliter in een groot laboratorium gedaan moeten worden. Dan kun je bijvoorbeeld antistoffen en eiwitten aantonen in lichaamsvloeistoffen zoals speeksel en bloed.”

Zo simpel als een glucosemeter voor diabetici werkt en zo eenvoudig als een donorverpleegkundige voor bloedafname het hemoglobinegehalte checkt, zo ingewikkeld is het voor analisten om antistoffen in bloed aan te tonen. “Glucose en hemoglobine hebben een heel hoge waarde in het bloed. De concentratie van eiwitten kan een miljoen tot een miljard keer lager zijn. Bij zo’n lage concentratie is het belangrijk dat een toe te voegen detectiestof goed kan mengen met het bloed. We noemen dat actueren. En nu komen we bij het grote probleem: in een lab-on-a-chip hebben de microkanalen een doorsnede van enkele menselijk haren tot misschien een milimeter. Daarin gedragen vloeistoffen zich erg stroperig. Op deze kleine schaal is de stroming laminair, zoals rook van een sigaret de eerste centimeters recht omhoog gaat. Er is geen turbulentie en we moeten iets bijzonders doen om goed te kunnen mengen. Dus actueren is noodzakelijk”, legt de Zwitser in vlekkeloos Nederlands uit. In 2005 is Fahrni, na een afstudeeronderzoek bij Philips Research in Eindhoven, als aio aan de TU/e aan de slag gegaan.

Dat actueren wilde Fahrni genereren met behulp van polymeerflapjes aan de wand van de microkanalen. Hij wist al dat een op en neer gaande beweging van roerstaven niet het gewenste mengresultaat geeft. “Dan transporteer je de vloeistoffen slechts op en neer, zonder netto effect.” Voor het mengen dat Fahrni zocht, is een asymmetrische beweging nodig. Dat had hij gezien bij de eencellige dieren, de protozoa. “Hun trilhaartjes maken een beweging die lijkt op een zwemslag.”

Nu was het al eerder aan de TU/e gelukt om flapjes asymmetrische bewegingen te laten maken. Bij Werktuigbouwkunde is dat op een elektrostatische manier gebeurd en bij Scheikundige Technologie met behulp van lichtsignalen, door Casper van Oosten. De natuurkundige koos een derde optie: magnetisme. Fahrni maakte polymeren magnetisch, zodat hij ze met elektromagneten kon besturen. De magnetische polymeren kregen de vorm van flapjes die hij kon laten wapperen als de trilhaartjes van de eencelligen. De helft van de tijd die Fahrni besteedde aan zijn promotieonderzoek, stond hij te knutselen in het laboratorium. “Ik vind het leuk om te prutsen op kleine microscoopglaasjes. Eigenlijk bouwde ik een micromachine.”

Op een dag, het was al in zijn derde onderzoeksjaar, zag Fahrni per toeval dat de polymeerflapjes deden wat hij nodig had. “Fantastisch, het beweegt nu zoals wij willen”, schijnt hij uitgeroepen te hebben. “Toen zijn we gaan uitzoeken hoe we die beweging controleerbaar konden maken.” Het bleek cruciaal hoe de richting van de magnetisatie was. Lag die in de lengterichting van het polymeerflapje, dan zag hij alleen de op en neer gaande beweging. Stond het er echter loodrecht op, dan kwam de asymmetrische roerbeweging.

Het grote voordeel van magnetisme ten opzichte van licht of elektrische velden is dat je daarmee niets verandert aan de samenstelling van de lichaamsvloeistoffen. Bloed en speeksel zijn van zichzelf niet-magnetisch. Zo zijn de krachten op de flapjes perfect controleerbaar. Behalve een toepassing in biologische analyses zijn de magnetische polymeer actuatoren van Fahrni ook te gebruiken voor chemische syntheses. “Polymeren zijn goedkoop ten opzichte van silicium of metalen actuatoren. We hopen dat er snelle, goedkope en gebruiksvriendelijke lab-on-chips komen. Mijn actuator is de academische kant ervan. Ik zie het als een bouwsteen.” (NS)/.

Francis Fahrni verdedigt zijn proefschrift ‘Magnetic polymer actuators for microfluidics’ op donderdag 17 december vanaf 16.00 uur in het Auditorium van de TU/e.