Shuaizhong Zhang. Photo | Bart van Overbeeke

Sluitstuk | Magnetische haartjes voor mini-lab

Een ‘lab-on-a-chip’ is een draagbaar laboratorium ter grootte van een creditcard. Superhandig, maar de nauwe kanaaltjes van zo’n mini-lab slibben snel dicht en het is lastig om er vloeistoffen goed in te mengen. De Chinese promovendus Shuaizhong Zhang toonde aan dat magnetisch aangedreven minuscule trilhaartjes die problemen kunnen verhelpen.

De binnenwand van onze luchtpijp is bekleed met zogeheten cilia, een soort trilhaartjes die vuil en slijm richting de keel transporteren en zo onze longen schoonhouden. Ook schelpdieren en koraal gebruiken cilia om zichzelf schoon te maken, en vergelijkbare trilhaartjes (flagella genoemd) worden door bijvoorbeeld zaadcellen en eencellige organismen gebruikt om zichzelf voort te stuwen.

Deze natuurlijke trilhaartjes vormen voor de onderzoekers van de groep Microsystems (faculteit Werktuigbouwkunde) een inspiratiebron voor een kunstmatige variant, met toepassingen in de microfluïdica - het onderzoeksveld dat aan de basis ligt van nieuwe technieken zoals de lab-on-a-chip, waarmee buiten het laboratorium bijvoorbeeld bloed, speeksel, of urine kan worden getest op de aanwezigheid van ziekteverwekkers of gifstoffen.

Die lichaamsvloeistoffen moeten op zo’n lab-on-a-chip door een stelsel microkanaaltjes worden geleid. Door de binnenwand van die kanaaltjes te bekleden met kunstmatige trilhaartjes, kunnen de vloeistoffen en hierin aanwezige deeltjes actief door de kanaaltjes worden getransporteerd, zo is de gedachte. Bovendien zouden door de beweging van de trilhaartjes de vloeistoffen beter gemengd kunnen worden, en wordt voorkomen dat de kanaaltjes dichtslibben.

Magnetische primeur

Promovendus Shuaizhong Zhang van Microsystems is er in geslaagd om trilhaartjes te maken die met een magneetveld kunnen worden aangedreven, volgens hem een wereldwijde primeur: “Het was alleen nog met computersimulaties aannemelijk gemaakt dat het in principe mogelijk is”. Het is goed nieuws dat hij nu heeft aangetoond dat deze methode ook in de praktijk werkt, want magnetische trilhaartjes hebben een aantal voordelen boven andere aansturingstechnieken, legt hij uit.

“Er bestonden al zogeheten pneumatische trilhaartjes, die zijn hol en worden bewogen door er lucht in te pompen, maar die krijg je nooit klein genoeg voor in een lab-on-a-chip”, legt hij uit. “En je kunt plastic flapjes in principe ook laten bewegen met licht, dat doen ze hier zelfs bij Scheikundige Technologie, maar dat gaat veel te traag. En aandrijving met elektrische velden, zoals mijn promotor Jaap den Toonder eerder heeft gedaan, heeft weer als nadeel dat biologische systemen, zoals cellen, daardoor worden beïnvloed.”

Magnetisme is echter “biocompatibel”, benadrukt de promovendus. ”Bovendien reageren de magnetische cilia snel, en kun je ze heel klein maken - in principe nog veel kleiner dan mijn trilhaartjes met een doorsnede van vijftig micrometer. Biologische trilhaartjes zijn soms niet langer dan 2 micrometer. Een paar collega’s van mij hier bij Microsystems proberen nu om ook zulke kleine kunstmatige cilia te maken.”

Ronddraaiende magneet

De Chinese promovendus heeft laten zien dat hij met zijn magnetische trilhaartjes ongewenst materiaal kan verwijderen uit de microkanaaltjes: “We hebben aangetoond dat dit zowel werkt voor plastic microbolletjes van verschillende afmetingen, als voor een veelvoorkomend type algen. Ook blijkt dat we een vloeistof door de microkanaaltjes kunt pompen. Dat werkte zelfs ondanks het feit dat mijn cilia relatief nog ver van elkaar stonden, zo’n honderd micrometer.” Hierdoor heb je dus geen externe pomp nodig voor een lab-on-a chip, alleen een magneet die je in de buurt van de chip kunt laten ronddraaien.

Daarnaast liet Zhang zien dat je deeltjes heel gericht een bepaalde kant op kunt laten bewegen - in de vorm van een Z bijvoorbeeld - door het magneetveld op gezette tijden van richting te laten veranderen. Zoals gezegd is ook het mengen van verschillende vloeistofstromen een belangrijke potentiële toepassing, benadrukt de onderzoeker. “Op zo’n kleine schaal speelt traagheid een veel kleinere rol. Het heeft dus weinig zin om een microfluïdisch systeem te schudden in de hoop dat de inhoud dan wel zal mengen. Zo werkt dat helaas niet.” Zijn magnetische trilhaartjes kunnen als geavanceerde roerstaafjes echter het verschil maken, gelooft hij.

Vervolgproject

Na zijn promotie op 5 december blijft Zhang als postdoc werken bij Microsystems. Zijn promotor Jaap den Toonder heeft net een prestigieuze ERC Advanced Grant toegekend gekregen voor een vervolgproject. Daarin gaat de Chinees kijken hoe je de cilia kunt laten bewegen als een soort lopende golven - metachroon wordt dat genoemd. “In de natuur zie je dat veel terug, en uit simulaties blijkt dat misschien wel tien keer efficiënter te zijn dan een synchrone beweging wanneer je vloeistof of deeltjes wilt transporteren.” Daarvoor wil hij de magnetische eigenschappen van de trilhaartjes zo manipuleren dat ze niet meer allemaal dezelfde hoek maken met het magneetveld. “Een andere manier om metachrone beweging te krijgen, is uiteraard door een niet-uniform magneetveld te gebruiken voor de aansturing. Daar zullen we ook naar kijken, maar dat zal lastiger zijn in het gebruik.”

Deel dit artikel via je socials