Onderzoekers hebben een nieuwe manier ontwikkeld om magnetische kunstmatige zogenaamde trilhaartjes in grootte vergelijkbaar te maken met echte trilhaartjes. Het is de bedoeling dat die kunstmatige trilaartjes gebruikt kunnen gaan worden in toekomstige microfluïdische apparaten en sensoren. De baanbrekende fabricagemethode is ontwikkeld door wetenschappers van de TU/e en het Zwitserse EPFL.
Cilia zijn kleine haartjes die in het menselijk lichaam gebruikt worden bij transport en detectie. Trilhaartjes zijn in de ultieme microcontrollers van de biologische wereld. Ze zijn te vinden op het oppervlak van micro-organismen en helpen ze door vloeistoffen te stuwen. Cilia bekleden ook de wanden van onze luchtwegen en transporteren slijm uit onze longen, terwijl trilharen in onze nieren als sensoren fungeren. “Cilia hebben verbazingwekkende vermogens, en dit heeft wetenschappers geïnspireerd om kunstmatige trilhaartjes te ontwikkelen voor gebruik in op microfluïdische gebaseerde medische sensoren of zelfs om microrobots te laten lopen”, zegt Jaap den Toonder, hoogleraar Werktuigbouwkunde aan de TU/e.
Grootte kunstmatige trilhaartjes
Den Toonder is een van de pioniers op het gebied van het onderzoek naar de ontwikkeling van kunstmatige trilhaartjes. De grootte van die kunstmatige trilhaartjes is een van de voornaamste problemen die aangepakt moeten worden. "Kunstmatige trilhaartjes kunnen honderd keer groter zijn dan biologische trilhaartjes, wat hun gebruik in kleinschalige toepassingen verbiedt”, aldus Den Toonder.
Om het probleem van de grootte op te lossen, hebben Den Toonder samen met Tanveer ul Islam (EuroTech postdoctoraal onderzoeker aan de TU/e) en Yves Bellouard (EPFL, Zwitserland) een baanbrekende fabricagemethode ontwikkeld voor kunstmatige cilia van biologische grootte (lengte van 6 micrometer, straal van 200 nanometer). De trilhaartjes kunnen worden geactiveerd met behulp van een magnetisch veld en kunnen grote en snelle trillingen vertonen, net als echte trilhaartjes. De nieuwe fabricageaanpak is gepubliceerd in PNAS.
De trilhaartjes zijn gemaakt van een magnetisch elastomeer, een aantal magnetische deeltjes gemengd in een polymeermateriaal, en de fabricagebenadering bestaat uit twee delen. Eerst worden de magnetische materialen geprepareerd via een zorgvuldig ontworpen chemisch proces, dat vervolgens wordt gevolgd door een micromolding-proces om de trilhaartjes nauwkeurig te vormen.
Uitdagingen overwonnen
Bij het ontwikkelen van de nieuwe benadering voor de fabricage van de kunstmatige trilhaartjes stonden de onderzoekers voor twee belangrijke uitdagingen. "Ten eerste moest de benadering nauwkeurig genoeg zijn om kleine trilhaartjes te maken met een lengte die ongeveer 10 keer groter is dan hun diameter. Als je op micron- en nanometerschaal werkt, kan dit behoorlijk moeilijk zijn", vertelt Tanveer ul Islam.
De tweede uitdaging had betrekking op het maken van trilhaartjes die zowel flexibel als sterk magnetisch waren. “Om de beweging van biologische trilhaartjes na te bootsen, moesten onze kunstmatige trilhaartjes flexibel zijn. Maar we wilden ook het gedrag van trilhaartjes op afstand sturen, en daar zijn magnetische materialen ideaal voor. Natuurlijk reageren deze materialen op externe magnetische velden, maar cruciaal is dat biologische materialen niet worden beïnvloed door magnetische velden. Dit is vooral belangrijk als we onze trilhaartjes in biologische omgevingen willen gebruiken”, aldus Den Toonder.
"Onze aanpak zal kleinere, gevoeligere microfluïdische apparaten mogelijk maken, waarbij deze trilharen kleine fluctuaties op minute length scale kunnen waarnemen. En we kunnen deze trilhaartjes gebruiken om nauwkeuriger te bestuderen hoe cellen reageren op kleine, uitgeoefende krachten, wat van groot belang is voor zowel weefselingenieurs als biofysici", besluit Tanveer.
