Medische instrumenten geïnspireerd op de inktvis

„Een inktvis kan met zijn tentakels veel meer dan wij met onze armen, terwijl daar helemaal geen botten in zitten. En spieren kunnen doorgaans alleen maar trekken. Hoe kan dat? Door goed te kijken naar die inktvis hebben we heel interessante medische instrumenten kunnen maken.”

Paul Breedveld is hoogleraar biomechanical engineering aan de TU Delft. In zijn werkkamer staan behalve rijen proefschriften en ordners met octrooiaanvragen allerlei prototypes van medische gereedschappen en een stuk of tien antieke rekenmachines met heel veel knoppen – „daar zit creatieve mechanische technologie in”. Hij combineert zijn fascinatie voor het mechanische met interesse in de biologie: zijn vakgroep ontwikkelt technologie die geïnspireerd is op de biologie.

Breedveld gebruikt bewust de term bio-geïnspireerd. „De natuur heeft schitterende oplossingen, maar soms werken door mensen bedachte oplossingen toch beter”, zegt hij. „We zijn er niet wars van om spieren door stalen kabeltjes te vervangen.”

Ook elders in Nederland wordt veel onderzoek gedaan op dit grensgebied. Zo bestuderen Guillermo Amador en Julian Langowski in Wageningen inktvissen en boomkikkers om te begrijpen hoe materialen met een sterke zuig- of kleefkracht werken. Amador: „Natuurlijk bestaan er zuignappen die je op het raam kunt plakken, maar die verliezen vaak aan kracht bij herhaald gebruik. Bovendien werken ze vooral op glas, en dan ook nog eens schóón glas. Terwijl de zeekat – Sepia officinalis, de inktvissoort die ik bestudeer – met zijn zuignappen van alles stevig kan vastpakken: van schelpdieren tot garnalen en krabben. Keer op keer op keer.”

Langowski en Amador hebben samen een cursus biomimetica opgezet voor Wageningse masterstudenten. Langowski: „In Duitsland, aan de hogeschool van Bremen, waar ik heb gestudeerd, wordt sinds de jaren negentig biomimetisch onderzoek gedaan en is in 2003 een complete studierichting biomimetica ingericht. Ook elders neemt de interesse toe.”

Natuurlijk hebben mensen zich altijd al laten inspireren door de natuur, zegt Langowski. „Het is niet meer dan logisch dat we trucjes afkijken.” De zaaddozen van de grote klis, een distelachtige plant, stonden aan de basis van klittenband. Het zelfreinigende vermogen van lotusbladeren zorgde voor de ontwikkeling van zelfreinigende metalen en verf. En de zeekomkommer heeft de aandacht van ingenieurs omdat het weke lijf kan veranderen in een sterk pantser: interessant voor legerkleding.

Sleutelgatchirurgie

„Dit is het eerste instrument dat ik bouwde, in 2004.” Breedveld houdt een stalen buisje omhoog van vijf millimeter doorsnede en een lengte van zo’n dertig centimeter. Aan het ene uiteinde komt er een pijlpuntje uit en aan het andere uiteinde zit een handvat dat alle kanten op kan bewegen. De pijlpunt beweegt in de tegenovergestelde richting van het handvat. „Je kan hier verder niks mee. Maar als je het pijltje vervangt door een camera kun je in het lichaam alle kanten op kijken.”

Bij sleutelgatchirurgie, waarvoor dit instrument bedoeld is, opereert de chirurg door kleine sneetjes. De instrumenten zijn het liefst zo dun mogelijk, ze moeten veel kunnen en zo simpel in elkaar zitten dat je ze goed kunt steriliseren – of zo goedkoop zijn dat je ze na gebruik kunt weggooien. „Die drie eisen maken medische instrumenten zo fascinerend”, zegt Breedveld.

Voor instrumenten die werken als een ‘polsgewricht’ worden meestal scharnieren gebruikt, zegt Breedveld. „Maar als je scharnieren sterk gaat miniaturiseren dan wordt dat snel moeilijk en duur. Om een oplossing te verzinnen ben ik me gaan inlezen in hoe weekdieren hun ledematen sturen. Want die hebben natuurlijk geen scharnieren.” Hij vond het antwoord in een onderzoek van een hoogleraar in Wageningen, Johan van Leeuwen – hoofd van de leerstoelgroep experimentele zoölogie, waar ook Langowski en Amador werken – over de anatomie van de armen van de Loligo paelei-inktvis.

„In de techniek wordt bijna altijd vanuit het minimum geredeneerd. Als je iets wil sturen met kabels, dan maximaal drie of vier kabels. Maar in dat onderzoek zag ik dat die inktvis een krans van zo’n twintig spierbundels gebruikt om zijn tentakel terug te trekken en te sturen. De natuur redeneert niet vanuit het minimum.”

Breedveld besloot ook een constructie te maken met twintig kabels. Hij nam een smalle binnenveer zoals je die ook in een balpen ziet en een iets grotere buitenveer daaromheen, de ruimte daartussen vulde hij op met twintig kabeltjes. „Het is geïnspireerd op dat artikel over de inktvis. De mechanische ‘tentakel’ kan alle kanten op bewegen, alle spieren zijn vervangen door stukjes metaal. En het is niet erg dat het uit heel veel onderdelen bestaat, kabels en veren zijn goedkoop.”

Chirurgen proberen het uit

Ze hebben een patent gekregen. Maar voordat een nieuw instrument in ziekenhuizen gebruikt kan worden, gaan er jaren overheen. „Hij is pas vorig jaar in de handel gekomen”, zegt Breedveld. „Het inktvisinstrument wordt nu gebruikt door chirurgen. Die zijn nog aan het uitproberen wat ze er allemaal mee kunnen.”

Toen het prototype net af was ging Breedveld ermee naar Wageningen. „Ik denk dat Johan van Leeuwen me in het begin een beetje een gekke man vond. Maar er ontstond ook een klik.”

De onderzoeksgroepen in Delft en Wageningen gingen vaker samenwerken. In 2012 dienden ze een gezamenlijke projectaanvraag in om onderzoek te doen naar hoe sluipwespen van de soort Diachasmimorpha longicaudata hun legboor gebruiken. Die legboor is een lange dunne naald waarmee ze bijvoorbeeld in fruit prikken waar een vliegenlarve in zit – de wesp legt zijn eitjes in de larve. „Die wesp is zo klein ten opzichte van de naald aan zijn achterlijf, dat hij niet in staat leek om hem naar binnen te duwen”, zegt Breedveld. „Dus er moet iets in zitten waardoor die naald zich naar binnen kan trekken en al sturend diep in het weefsel kan komen.” De onderzoekers hoopten dat ze ook in de werkplaats een zichzelf voorttrekkende, stuurbare naald konden maken.

Maar voordat het zo ver was, waren eerst de biologen aan zet: die moesten achterhalen hoe de legboor van de sluipwesp werkte. „Goed kijken is altijd het uitgangpunt in de biomimetica”, zegt Langowski.

De legboor in larven krijgen zonder dat hij breekt is een delicaat karwei. Vanuit Wageningen deed promovendus Uros Cerkvenik onderzoek aan de sluipwespen. Met behulp van hogesnelheidscamera’s konden Cerkvenik en zijn begeleiders in 3D het proces filmen. Langowski: „Hij was mijn kamergenoot, dus ik heb het proces van dichtbij meegemaakt. Ze gebruikten een doorzichtige, gelatineuze voedingsbodem om de prooien van de wesp in te verstoppen. Zo konden ze in detail zien hoe de verschillende onderdelen van de legboor onafhankelijk van elkaar konden bewegen en hoe dit samenhing met de snelheid en de richting waarin de naald bewoog.” De wesp duwde niet in één keer de hele boor naar beneden, maar verankerde zichzelf met een deel van de boor en drilde dan heel voorzichtig de rest van de boor erin, segment voor segment.

Tien jonge zeekatten

Ook Amador zal in het zeekatonderzoek gebruik maken van hogesnelheidscamera’s. „We hebben net vandaag tien jonge zeekatten gekregen van een marien bioloog uit Zeeland. Die duikt en verzamelt de eitjes. Maar hij kan ze zelf niet allemaal behouden, want eenmaal volwassen worden zeekatten competitief en bejagen ze elkaar.” In het lab zullen de dieren gefilmd worden terwijl ze verschillende soorten prooien vangen, en met diverse objecten (zoals rubber ballen) spelen. „Zeekatten leven maximaal drie jaar. Na hun dood zullen we ze ontleden om de zuignapstructuur in meer detail te bestuderen. Zeekatzuignappen zijn heel anders dan octopuszuignappen – over die laatste groep is al veel meer bekend.”

Langowski doet onderzoek aan boomkikkers. „De meeste kikkers leven niet continu onder water en ze hebben geen zuignappen onder hun poten, maar toch zijn er wel parallellen te trekken met de zeekat. Ook bij boomkikkers speelt vocht een belangrijke rol: hun poten zijn bedekt met een slijmlaagje. En in beide gevallen spelen vanderwaalskrachten een rol.” Dat zijn krachten tussen moleculen die voor sterke kleefkracht kunnen zorgen zonder dat daar lijm of een andere kleverige stof bij komt kijken. Van gekko’s is bijvoorbeeld al langer bekend dat ze op die manier aan oppervlakken kunnen blijven plakken, omdat de haartjes op hun poten nauw contact maken met de ondergrond.

Langowski: „Bij de twee boomkikkersoorten die ik heb bestudeerd, Hyla cinerea en Litoria caerulea, spelen nog andere mechanismen mee, die op elkaar zijn afgestemd. Het is een complex samenstel tussen de huid, de afzonderlijke teenbotjes, tussenliggend weefsel en het grijpvermogen van de gehele voet. En dan is ook de structuur van het onderliggende oppervlak nog van belang.”

Om de kleefkracht van de kikkers te onderzoeken zette Langowski ze op rotatietafels, die verticaal gekanteld werden – tot de hellingshoek té groot werd en de kikkers naar beneden vielen. „Op een zachte ondergrond, dat wel.”

Het complexe samenspel van de elementen van de boomkikker is nog steeds een beetje een mysterie

Paul Breedveld hoogleraar biomechanical engineering

Dat boomkikkers kunnen plakken aan natte bladeren en zich ook weer gemakkelijk los kunnen maken, maakt ze weer interessant voor chirurgen. Ook organen zijn natte oppervlakken. Het zou handig zijn als een instrument goed op nat weefsel plakt en zonder schade weer loslaat, het liefst vaker achter elkaar. Breedveld: „We hebben wel plakkende instrumenten gemaakt, gebruikmakend van basisideeën die we uit de boomkikker hebben gehaald, maar het complexe samenspel van de elementen van de boomkikker is toch nog steeds een beetje een mysterie voor ons.”

Het mechaniek van de sluipwesp was eenvoudiger te vertalen, promovenda Marta Scali ging er in Delft mee aan de slag. De naald bleek te bestaan uit drie steeltjes die ten opzichte van elkaar kunnen schuiven, en die bij elkaar gehouden worden door een puzzelstukjesprofiel. „Daar zagen we meteen een probleem”, zegt Breedveld. „Met de bestaande maaktechnologie konden we dat niet namaken. Die structuurtjes zijn zo klein, een paar honderdste millimeter, en dat in de vorm van een puzzelstukje en centimeters lang. Dat is qua precisie niet te doen.”

Ze kwamen uiteindelijk uit op een constructie die wat weg heeft van de sluipwesp, en ook van de inktvisarm. Eén staafje in het midden met daaraan een ringetje waar kleine gaatjes in zitten, waar weer zes andere staafjes doorheen gaan. „Het idee van schuivende elementen die zich via wrijving naar voren bewegen zoals de wesp ook doet, is gebleven. Als de constructie zich door weefsel voortbeweegt, dan beweegt met een motortje in het handvat, één van de staafjes een klein beetje naar voren, terwijl de andere staafjes stil blijven staan en blijven plakken aan het weefsel. Door in een soort schuifelbeweging één voor één de staafjes zo naar voren te schuiven, ontstaat er een beweging waarbij de naald zich stukje voor stukje door het weefsel trekt, zonder dat ik er van buitenaf tegenaan hoef te duwen.”

Door de puntjes van de staafjes een beetje scheef te maken, kan de naald ook verschillende kanten op gaan in het weefsel. In zacht weefsel werkt het beter dan in harder weefsel. Door een holle variant kan ook weefsel getransporteerd worden en een variant zonder metaal is al getest voor gebruik in een MRI-scanner.

Verdraaiende staafjes

Maar enig mysterie is ook bij de sluipwesp gebleven. „Probleem bij het sturen is dat de staafjes een beetje gaan verdraaien, in een soort helix”, zegt Breedveld. „Dat maakt dat de richting waarin hij stuurt niet helemaal te voorspellen is.” Hoe dunner de naald, hoe makkelijker hij verdraait. „Maar ook de sluipwesp prikt niet in één keer raak. We zijn niet de enigen.”

Binnenkort start een nieuwe promovendus die verder gaat werken aan het stuurprobleem. „Wat misschien kan werken is dat je een deel van de staafjes vervangt door glasfibers, waarin je de draaiing kan meten”, zegt Breedveld. Het idee van de naald begon fundamenteel, als verkenning van het sluipwesp-idee. Dit nieuwe onderzoek is toegepaster, in samenwerking met het Amsterdam UMC willen Breedveld en collega’s onderzoeken of deze naaldtechnologie gebruikt kan worden voor prostaatingrepen.

Tegelijkertijd gaat ook in Wageningen de zoektocht door. Amador: „Ik hoor altijd een stemmetje in mijn achterhoofd als ik naar dieren kijk: zouden we hier misschien iets aan hebben? Maar het is niet alleen maar ons doel om de technologie vooruit te helpen. Juist door de natuur zo goed te observeren, leren we de natuur ook beter te begrijpen. Als je op een fundamenteel niveau snapt hoe soorten in elkaar zitten, dan kun je die kennis zelfs toepassen om evolutionaire processen te ontrafelen. Zo is de biomimetica niet alleen een vakgebied van de toekomst, maar ook van het verleden.”