Eerlijk zeggen. Wie wist begin vorig jaar wat een PCR-test was? Maar na anderhalf jaar corona-pandemie is het een deel van ons leven geworden. Het nemen van monsters voor zo’n test duurt slechts twee tot drie minuten. De polymerasekettingreactie (PCR) in het laboratorium daarentegen ongeveer vier tot vijf uur. Onderzoekers van het Fraunhofer Instituut voor Keramische Technologieën en Systeme IKTS hebben nu een manier gevonden om dit proces in het laboratorium aanzienlijk te versnellen.
“Met deze oplossing willen we ertoe bijdragen dat PCR-procedures die belangrijk zijn voor de gezondheid van de bevolking, ook na de pandemie nog sneller worden en beter beschikbaar”, benadrukt IKTS-directeur Alexander Michaelis.
Met de PCR-test kunnen zelfs de kleinste hoeveelheden van het coronavirus worden opgespoord. Daartoe moeten de monsters in het laboratorium een soort ‘temperatuurcyclus’ ondergaan, waarbij de reactievaten afwisselend worden verwarmd tot 960 Celsius en dan weer worden afgekoeld tot 550 of minder. Dit moet ongeveer dertig keer worden herhaald volgens een nauwkeurig omschreven procedure. Alles bij elkaar duurt dit zo’n vijf tot zes uur. Dit is de enige manier waarop de verrijkende kettingreactie nieuwe kopieën van het genetisch materiaal kan blijven produceren.
Lars Rebenklau en 3D-printexpert Uwe Scheithauer van het IKS en hun collega’s hebben nu echter een veelbelovend sneller alternatief ontwikkeld, de zogenaamde μPCR-modules. Met industriële 3D-printers maken ze eerst een keramische huls met geïntegreerde koelkanalen. “Met conventionele methoden zijn dergelijke vormen onmogelijk of alleen tegen zeer hoge kosten te maken. Dankzij onze productiemethode zijn deze complexe vormen echter geen probleem meer”, aldus Uwe Scheithauer.
Binnen enkele seconden
De huls wordt vervolgens gebakken op meer dan 10000 tot een solide en zeer duurzame vorm van keramiek. Op dit basislichaam worden vervolgens spiraalpatronen geprint. Het geheel wordt daarna gebakken op 8500. De spiralen dienen als radiatoren. De compacte μPCR-modules worden gecompleteerd door elektrische aansluitingen en koelvloeistofslangen. Momenteel hebben deze eenheden een diameter van ongeveer 15 millimeter en een lengte van ongeveer 45 millimeter. Zij dienen zowel voor het opwarmen als het afkoelen van de monsters tijdens de polymerasekettingreactie.
De verwarmingselektronica brengt het monster binnen enkele seconden op de gewenste temperatuur. Voor de koeling wordt gasvormig stikstof gebruikt dat door de geïntegreerde koelkanalen stroomt. Zo kan de temperatuur weer heel snel dalen. De modules kunnen aan elkaar gekoppeld worden. Zo kunnen vele monsters tegelijk worden geanalyseerd, benadrukken de onderzoekers.
Toepassingsmogelijkheden
De IKTS-wetenschappers gaan ervan uit dat dergelijke op μPCR gebaseerde systemen de PCR-analyses in de toekomst verder kunnen versnellen. “We hebben bijzonder duurzame, kleine en toch krachtige PCR-modules weten te ontwikkelen”, aldus Lars Rebenklau. “Bovendien is geautomatiseerde productie op grote schaal mogelijk.”
Krachtiger koelmiddelen en verdere verbeteringen van de elektronica kunnen het PCR-proces verder versnellen. Momenteel werken de wetenschappers eraan de ontwikkelde modules nog kleiner te maken. Daardoor kan de doorlooptijd van de temperatuurprocessen nog verder worden teruggedrongen. Deze krachtige en snelle keramische verwarmers zijn niet alleen geschikt voor PCR-tests. Volgens de wetenschappers zijn er ook andere toepassingsgebieden denkbaar, bijvoorbeeld in de procestechnologie.
Ook interessant:
Nieuwe sneltest geeft binnen 12 minuten uitslag over antilichamen tegen corona
Straks test je zelf thuis of je een griepje had of corona
