Schoon vat; Microturbines frezen aanslag uit slagaders

Duitse onderzoekers proberen slagaderlijke verstoppingen te verwijderen met een draaiend schoepenrad ter grootte van een speldenknop.

De aankoeking in een verkalkte slagader kan keihard zijn. “Ik heb er zelfs met een mes op gehamerd”, zegt dr. Ulrike Wallrabe, onderzoekster op het Forschungszentrum Karlsruhe. “Je moet flink slaan om er wat vanaf te hakken.”

Verstoppingen in bloedvaten (atherosclerose) zijn op twee manieren te behandelen, door te dotteren (oprekken van gedeeltelijk verstopt bloedvat via een ballon die wordt opgeblazen) of door het aanleggen van een bypass. De keuze hangt af van de locatie en mate van verstopping en van het aantal aangedane kransslagaders.

Een bypass is een traumatische ingreep. De hele borstkas moet ervoor open. In Karlsruhe ontwikkelt men een alternatieve manier om de atherosclerotische aanslag te verwijderen. Daarbij wordt gebruik gemaakt van flexibele hartcatheters. De onderzoekers werken aan een freeskop die kalk kan wegschrapen. Net zoals bij dotteren moet dit gereedschap zich via bloedvaten, vanuit het onderlichaam, een weg banen naar de plek des onheils. Behalve het Forschungszentrum nemen aan het onderzoek vier andere Duitse onderzoekinstituten, de technische universiteit van Edinburgh en twee industriële partners deel.

Een slagader uitfrezen kost bijna evenveel kracht als het uitboren van een rotte kies. Er zijn al commerciële systemen waarbij een boor wordt aangedreven door een ronddraaiende spil in een holle catheter. Erg flexibel zijn die niet. Voor het frezen zijn hoge toerentallen nodig en die drukken de catheter recht en maken hem stijf. Het is moeilijk om met zo'n boor om een hoekje te buigen. Daarom kijken de onderzoekers in Karlsruhe naar een flexibeler oplossing: de kracht opwekken bij de freeskop zelf. Binnen het onderzoekproject is gekeken naar elektromotoren, maar na veel wikken en wegen werd gekozen voor de ontwikkeling van een mechanisme dat Wallrabe had uitgedokterd: een met water aangedreven turbine zo dik als een lucifer.

Het mechaniek werkt als een watermolentje. Binnenin zit een draaiend schoepenrad ter grootte van een speldenknop. Daaromheen zit een vaste omhulling van plexiglas met straalopeningen. Het water spuit daar onder hoge druk uit en zet zo de turbinebladen in beweging. Op een soortgelijke manier werkt ook de tandartsboor met het hoge piepgeluid, maar dan met perslucht.

“Maar artsen vertelden dat er niet te veel spoelvloeistof in het lichaam mag vloeien, maximaal 30 milliliter per minuut. En voor de aandrijving is veel meer nodig”, zegt Wallrabe. Daarom moet de vloeistofstroom op en neer door de hele catheter. Om ook nog de microturbine aan te drijven zijn er volgens Wallrabe vrij hoge drukken nodig. “We hebben ongeveer 10 atmosfeer nodig voor de aandrijving en 10 atmosfeer om de wrijving van het buisje te overwinnen. Toch is dat niet ongewoon. Voor dotteren is zo'n 10 atmosfeer nodig.” De microturbine maakt zo'n duizend omwentelingen per seconde en levert daarbij een vermogen van 40 milliwatt. De onderzoekster heeft getest dat dat ruim voldoende is om kalkaanslag weg te slijpen.

Wallrabe maakte haar turbine met de Liga-technologie (Liga komt van Lithographie, Galvanoformung en Abformung). Het is een zeer nauwkeurige productiemethode waarbij microstructuurtjes uit een laag kunststof (PMMA-plastic) worden gemaakt door die laag met röntgenstralen 'aan te snijden'. Dat kan nauwkeurig met de zeer parallelle röntgenbundel uit een zogenaamde synchrotronbron. Een metaalmasker bedekt de PMMA-plastic gedeeltelijk. Op de blootgestelde plaatsen breken de verbindingen in het polymeer. De overblijvende fragmenten zijn met een oplosmiddel gemakkelijk uit te spoelen. Er blijft dan een kunststof geraamte over dat weer als uitgangsvorm kan dienen om een metalen matrijs te maken. Vervolgens zijn daarmee weer seriematig onderdelen uit plastic of keramiek te maken.

Wallrabe toonde al aan dat een miniatuurfrees, aangedreven door de microturbine, gemakkelijk kalk kan wegslijpen. Ze onderzoekt nu welk materiaal ze het best kan nemen voor de turbinebladen. Plexiglas en nikkel heeft ze al onderzocht. “Slijtage is een probleem, ook bij metalen”, zegt ze. “Door het hoge toerental ontstonden er nikkel-splinters. Waarschijnlijk is keramiek de meest ideale bouwstof voor microturbines.”

Dan nog is daadwerkelijke toepassing onzeker, want het gereedschap zal ook naar behoren moeten werken in een kloppend hart. Wallrabe: “We hebben gefreest, maar nog niet in een kloppend varkenshart. Ik heb leerling-chirurgen met zo'n hart bezig gezien. Dat gaat met nogal wat geweld gepaard, het is een wereld van verschil. Het is nog geen uitgemaakte zaak of we tijdens zulke wilde bewegingen nauwkeurig kunnen frezen.”