Mon Jul 13 2020

07 13

Flowsensoren gebaseerd op vissen en zeehonden voor biomedische toepassingen

20/04/2020

Door Lilian Vermeer

Flowsensoren die in de natuur voorkomen, zoals sensoren op het lichaam van allerlei dieren, hebben een optimale vorm ontwikkeld door miljoenen jaren van evolutie. Twee onderzoekers aan de Rijksuniversiteit Groningen lieten zich inspireren door de natuur en ontwikkelden flowsensoren voor medische toepassingen. Ze bedachten ook een goedkope manier van productie via 3D-printen.

 


     

Een belangrijke inspiratiebron voor het ontwerp van flowsensoren vormt de blinde grotvis (Astyanax mexicanus fasciatus). De vis heeft geen ogen maar ziet zijn omgeving met behulp van flowsensoren op zijn lichaam. Het zijn hele kleine haartjes die door de snelheid van de stroom van het water buigen. Hoe sneller de stroom hoe meer buiging en hoe meer signaal de vis ontvangt. Als er obstakels zijn, zullen golven terugkaatsen en dat vangt de vis op met zijn sensoren en op die manier ‘ziet’ hij zijn omgeving. 
“Dit hebben wij geïmiteerd in onze flowsensoren,” vertelt onderzoeker Amar Kamat. “Ook doen we nu onderzoek naar zeehondensnorharen,” vertelt collega Ajay Kottapalli. “Hoe komt het dat de zeehond zo snel zijn vis kan opsporen zonder zijn ogen en oren te gebruiken?”

Samenwerking
Onderzoekers Ajay Kottapalli en Amar Kamat, kwamen elkaar tegen op de Universiteit in Groningen. Kottapalli werkte al een aantal jaren in Singapore aan nanosensoren geïnspireerd op de natuur en zette zijn onderzoek voort in Groningen als assistant professor. Kamat was juist gespecialiseerd in 3D-printing en vond een postdoc positie op het gebied van metaal 3D-printing aan dezelfde universiteit. Ze raakten in gesprek over hoe 3D-printen gebruikt kan worden om nanosensoren te maken en welke toepassingen het meest geschikt zijn. Ze besloten te gaan samenwerken aan hun ‘bio-geinspireerde micro-electro-mechanical system (MEMS) flowsensoren’. Kottapalli: “We onderzoeken dus aan de ene kant de natuurlijke flowsensoren en aan de andere kant richten we ons op het maken van sensoren voor commerciële toepassingen.”

Grotvis en sensor

Blinde grotvis (foto: Ajay Kottapalli) en flowsensor naast een muntstuk (foto: SMART, Singapore) 

Strain gauge
De kunstmatige stromingssensor bestaat uit een mini-haarachtige structuur die uitsteekt in de omringende stroming en aan de basis is bevestigd aan een polymeermembraan dat is voorzien van een rekstrookje. Een rekstrookje (Eng. strain gauge) is een meetelement waarvan de weerstand varieert met de toegepaste kracht; het zet die kracht om in een verandering van de elektrische weerstand die vervolgens kan worden gemeten.
Als de haarcel buigt door langsstromend water vervormt het membraan. De elektrische weerstand van de strain gauge in het membraan verandert onder invloed van vervorming en dit is meetbaar. Hoe meer de haar verbuigt hoe meer het membraan zich verplaatst en hoe groter de verandering van de weerstand.
“We kunnen hele rijen met sensoren maken. Dat is ook nodig omdat ze erg klein zijn en er vaak meer nodig zijn voor een nauwkeurige meting,” legt Kamat uit.

Infuuspomp
Op zoek naar een goede toepassing voor de sensoren kwamen de onderzoekers terecht bij infuuspompen. Infuuspompen zorgen ervoor dat allerlei medicatie en voedingsstoffen op een gecontroleerde manier het lichaam inkomen. Uit onderzoek blijkt dat de instroomsnelheid van deze apparaten vaak onnauwkeurig kan zijn. Daardoor kan er te veel of te weinig benodigde medicatie het lichaam instromen waardoor patiënten ernstige problemen kunnen krijgen. Verpleegkundigen moeten dus regelmatig controleren of de stroomsnelheid nog klopt. Dat kost veel tijd die gemakkelijk besteed had kunnen worden aan andere belangrijker taken. “Onze sensoren zijn erg nauwkeurig (ondergrens 2 ml/uur) en kunnen tijdens de infusie precieze informatie geven over de stroomsnelheid, iets wat de huidige gebruikte sensoren niet kunnen,” aldus Kamat. “Met onze sensoren hoeft de verpleegkundige minder checks uit te voeren en heeft dus meer tijd voor de patiënt zelf. Bovendien kunnen wij ze veel goedkoper maken met behulp van high resolution 3D-printing.” De gangbare flowsensoren die in infuuspompen worden gebruikt - zeker de single use exemplaren- zijn duur. De onderzoekers denken ze voor minder dan 1 euro per stuk te kunnen produceren bij massaproductie door 3D-printen. De eerste resultaten met een prototype van 3D-geprinte sensoren in een infuuspomp gebaseerd op de diepzeevissensensoren zien er goed uit.

Ajay Kottapalli en Amar Kamat

Ajay Kottapalli en Amar M. Kamat

Kottapalli (assistent professor) en Kamat (postdoc) zijn beiden verbonden aan de Faculty of Science and Engineering, Advanced Production Engineering — Engineering and Technology Institute Groningen

3D-printen
Kamat en Kottapalli bedachten een manier om de MEMS- flowsensoren te maken met behulp van 3D-printen. “3D-printen van bijvoorbeeld de minuscule voelhaartjes van een zacht polymeer is niet eenvoudig,” zegt Kamat. “Om ze naderhand handmatig op het membraan met de strain gauge te zetten is ook niet eenvoudig. Wij gebruiken daarom een 3D-geprinte mal waarin eerst het polymeer wordt gegoten en daarna de strain gauge wordt toegevoegd.”

Zeehondensnorharen
“Er zijn vele haarachtige sensoren die in de natuur voorkomen,” vertelt Kottapalli. “Bijvoorbeeld de haartjes in het slakkenhuis in het menselijke binnenoor, sensoren op de huid van haaien maar ook de snorharen van een zeehond. Een van onze PhD-studente doet momenteel onderzoek naar hoe het komt het dat zeehonden zo goed vissen kunnen volgen met hun snorharen. We hebben daarvoor zeehondensnorharen gebruikt afkomstig van het zeehondencentrum in Pieterburen, dat niet al te ver van Groningen ligt.”
Uit de studie bleek dat de vorm van de snorharen een belangrijke rol speelt. De snorharen hebben een golvende oppervlaktestructuur die helpt om trillingen die anders door de zwembewegingen zouden ontstaan, te dempen. De snorharen blijven daardoor relatief stil staan. Door een verbeterde signaal-ruisverhouding kunnen ze de trillingen in de omgeving goed waarnemen. “Er zijn allerlei toepassingen te bedenken - wellicht ook medische - maar we moeten nog verder onderzoek doen om dat uit te zoeken,” aldus Kamat.
Een van zo’n compleet andere toepassing is een pijplijn die door een zee/oceaanbodem loopt. Als die in plaats van een cilindervorm de structuur heeft gebaseerd op de vorm van de snorharen, zal die minder last hebben van trillingen en verplaatsing.

Eigen bedrijf
Over een paar maanden hopen ze te starten met een eigen bedrijf. Kamat: “Wat betreft techniek zijn we aardig ver. Er moeten nog wel wat klinische testen plaatsvinden en er moet aan de medische hulpmiddelenrichtlijn voor een CE-markering voldaan worden. Infuuspomp is een biomedisch klasse II device. Daarvoor werken we samen met partners om uiteindelijk aan alle vereiste regelgeving te voldoen.” Kottapalli gaat verder: “Ondertussen werken we ook aan om ze in te zetten als sensor bij urine-opvangzakken. Hiermee kan je urine-output van heel veel patiënten tegelijk in de gaten houden als maat voor de gezondheid. Dit is waarschijnlijk een product dat sneller in de markt te zetten is, omdat het hierbij puur gaat om het monitoren van de hoeveelheid opgevangen urine en niet om ergens de toevoer te reguleren.” In samenwerking met de afdeling Critical Care van het UMCG gaan ze testen uitvoeren met de urine-uitgangssensoren op de intensive care. De afdeling is zeer enthousiast over deze toepassing omdat het hen veel tijd gaat besparen.

Voor meer informatie: https://www.rug.nl/staff/a.m.kamat/