Als je kanker in een veel vroeg stadium kunt opsporen, dan is de kans op genezing veel groter. Het probleem is dat een tumor eerst een bepaalde grootte moet bereiken voordat hij opgemerkt wordt. Wetenschappers van de Technische Universiteit van Chemnitz in Duitsland hebben nu een piepklein apparaatje ontwikkeld dat in het menselijk lichaam kan worden ingebracht. Het kan onder meer de pH-waarde van het bloed controleren. Dat is een vroege indicator van kanker.
Het apparaatje heet nano-biosupercapacitor (nBSC). De nBSC kan zelfstandig in het lichaam werken als het eenmaal is ingebracht. Door zijn zeer kleine afmetingen – kleiner dan een stofdeeltje – kan hij plaatsen in het lichaam bereiken die vroeger onbereikbaar waren.
Bij de ontwikkeling ervan moesten verschillende aspecten in aanmerking worden genomen. Ten eerste moet elk materiaal dat in het lichaam wordt gebracht, veilig zijn voor het organisme, of biocompatibel. In eerder ontwikkelde supercondensatoren werden geen biocompatibele materialen gebruikt. In plaats daarvan maakten zij gebruik van corrosieve elektrolyten die zich snel ontladen in geval van defecten of verontreiniging. Zij waren derhalve ongeschikt om in het lichaam te worden ingebracht.
In plaats van schadelijke stoffen af te geven aan het bloed, werkt de nBSC samen met het lichaam. Enzymen en levende cellen die van nature in het bloed aanwezig zijn, verhogen de prestaties van het apparaat met 40 procent en helpen het zelfontladingsprobleem op te lossen dat zich steeds voordoet bij geminiaturiseerde supercondensatoren.
Schommelingen
De pH-waarde van het bloed is onderhevig aan schommelingen en kan een vroege indicator van kanker zijn. Continue meting ervan kan dus helpen bij de vroegtijdige opsporing van bijvoorbeeld tumoren. Daartoe ontwikkelden de onderzoekers een pH-sensor die door de nBSC van energie wordt voorzien.
Het is uiterst bemoedigend te zien hoe nieuwe, uiterst flexibele en adaptieve micro-elektronica doordringt tot de geminiaturiseerde wereld van biologische systemen.
Dr. Oliver G. Schmidt, onderzoeksleider.
Maar niet alleen de pH van het bloed schommelt. Ook de stromingskarakteristieken en de druk in de bloedvaten zijn voortdurend aan verandering onderhevig. De bloedstroom pulseert en varieert naar gelang van de vaatdiameter en de bloeddruk. Dit betekent dat elk apparaat dat in het bloedvatenstelsel wordt ingebracht, bestand moet zijn tegen deze omstandigheden en zich eraan moet kunnen aanpassen.
Om deze uitdaging aan te gaan, creëerden de onderzoekers een soort replica van een bloedvat om de biosupercapacitator te testen. Minuscule buisjes die vergelijkbaar zijn met minuscule windtunnels, microfluïdische kanalen genaamd. Deze minuscule buisjes variëren in diameter van 0,12 tot 0,15 mm om de verschillende maten van bloedvaten na te bootsen. De wetenschappers testten het gedrag van de nBSC onder verschillende stromings- en drukvoorwaarden in deze buisjes.
Uit de resultaten bleek dat het goed functioneert en stabiel blijft in deze testomgeving. Ook de chemische eigenschappen van bloed moesten worden getest. De onderzoekers evalueerden de nBSC in drie elektrolytoplossingen. Een zoutoplossing, bloedplasma en bloed. In alle drie de elektrolyten was de energieopslag voldoende succesvol, zij het met wisselende efficiëntie. In bloed behield de nBSC tot 70 procent van zijn oorspronkelijke capaciteit, zelfs na 16 uur.
Speciale vorm
De speciale vorm is van cruciaal belang voor het succes van de nBSC. Een plat vierkant, bestaande uit lagen van verschillende materialen, wordt opgerold, waarbij in het midden een holle ruimte overblijft. De vloeistoffen die door deze zogenaamde ‘Zwitserse wals’ stromen, worden vervolgens gemeten. De buisvorm zorgt voor een efficiënte zelfbescherming tegen externe krachten van pulserend bloed of spiersamentrekkingen.
De eigenschappen van een nBSC openen een breed scala aan mogelijke toepassingen. Niet alleen kan het de ontwikkeling van tumoren vroegtijdig opsporen door de pH van het bloed te controleren. Het kan mogelijk ook andere ziekten opsporen. Toekomstige toepassingen zijn onder meer biomedische implantaten met eigen stroomvoorziening, slimme cardiovasculaire stents en mobiele zelfvoorzienende micro-elektronische systemen.
Uitdagingen
Om de nBSC-apparaten te vertalen naar echte biomedische toepassingen, blijven er nog verschillende uitdagingen over. Er moet een methode worden gevonden om de nBSC’s op te laden zodra zij zich in het lichaam bevinden. Immunoreacties moeten ook worden tegengegaan, evenals interferentie door andere biologische stoffen zoals eiwitten, cellen, bacteriën en andere. En er moeten methoden worden gevonden voor zowel het implanteren van de nBSC’s in het bloedvatenstelsel als voor het verwijderen van niet-functionele hulpmiddelen.
De architectuur van onze nano-bio-supercondensatoren biedt de eerste potentiële oplossing voor een van de grootste uitdagingen – kleine geïntegreerde energieopslagapparaten die de zelfvoorzienende werking van multifunctionele microsystemen mogelijk maken.
Dr. Vineeth Kumar, researcher.
Boodschappen van het lichaam
Dergelijke apparaten kunnen ook fysiologische informatie van diep in het menselijk lichaam naar de buitenwereld overbrengen. Zelfs alleen al het ontvangen van een signaal van de locatie van het apparaat in het lichaam zou een belangrijke doorbraak betekenen. Het volgen van kleine mobiele objecten tot diep in het weefsel blijft een van de meest uitdagende taken op het gebied van biomedische microrobots.
De nBSC werd ontwikkeld door een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Dr. Oliver G. Schmidt aan de Technische Universiteit van Chemnitz, Duitsland, in samenwerking met het Leibniz-Institut für Polymerenforschung Dresden. Het onderzoek werd oorspronkelijk gepubliceerd in Nature Communications.
Ook interessant:
Met nanotechnologie darmontsteking te lijf
Orgaantransplantatie zonder levenslange medicatie dankzij nanotechnologie
