Onderzoekers van de Amerikaanse Vanderbilt University hebben een onverwachte toepassing gevonden van de suikerspinmachine van de kermis. Dit apparaat lijkt — met wat aanpassingen — geschikt voor het maken van een uitgebreid netwerk van haarvaatjes. Dit zijn de zeer dunne bloedvaten die onmisbaar zijn bij het bouwen van kunstmatige organen.
Een belangrijk probleem bij het bouwen van kunstmatige organen is het feit dat de functionele cellen zuurstof en voedingsstoffen nodig hebben en afvalstoffen moeten worden afgevoerd. Dat krijgen onderzoekers op dit moment nog voor elkaar door de cellen in te bedden in een zogeheten hydrogel, een driedimensionale structuur die is te vergelijken met haargel.
Het nadeel hiervan is dat stoffen maar over beperkte afstand door de hydrogel heen kunnen diffunderen. Daarom moeten de functionele cellen dicht bij elkaar zitten. Lukt dat niet, dan raken de cellen uitgehongerd of stikken ze.
Driedimensionaal netwerk
Het liefste bouwen biomedisch onderzoekers een driedimensionaal netwerk van zeer smalle kanaaltjes, waar de zuurstof, de voedings- en de afvalstoffen doorheen kunnen. Zo heeft de natuur het namelijk ook geregeld: dit zijn de haarvaten die overal in ons lichaam rond organen zitten. Ze hebben een diameter van gemiddeld 10 micron.
Maar dat nabouwen valt nog niet mee. In de zoektocht naar een oplossing denkt universitair docent werktuigbouwkunde Leon Bellan van Vanderbilt University nu een forse stap te zetten. Met een verbouwde suikerspinmachine heeft hij een netwerk van haarvaten nagebouwd.
Analogie van de suikerspin
Bellan is al jarenlang aan het experimenteren met suikerspinmachines. ‘Mijn collega-onderzoekers gebruikten altijd de analogie van de suikerspin als ze verwezen naar de netwerken van vezels. Ik dacht: waarom dan niet een keer echt zo’n machine proberen?’, vertelt hij in een nieuwsbericht van de universiteit. Nog tijdens zijn afstuderen kocht hij een suikerspinmachine voor 40 dollar. Al snel bleek deze vezels te kunnen maken die even smal zijn als de haarvaten in ons lichaam.
Doorbraak
Na jaren van experimenteren en finetunen is er nu een doorbraak bereikt, mede dankzij de vondst van een in de praktijk goed bruikbaar materiaal: PNIPAM, of voluit poly(N-isopropylacrylamide). Dit materiaal, al bekend van medische toepassingen, heeft de bijzondere eigenschap dat het boven 32 °C niet oplost in water, maar daaronder wel. Hiervan maakt Bellan nu dankbaar gebruik.
Eerst spint hij met een aangepaste suikerspinmachine een netwerk van zeer fijne PNIPAM-vezels. Vervolgens maakt hij bij 37 °C een oplossing van gelatine in water en voegt daar levende menselijke cellen aan toe. Hij giet deze oplossing over het netwerk van superfijne PNIPAM-vezels, terwijl hij tegelijkertijd een enzym toevoegt dat de oplossing aanzet tot geleren (in gel veranderen). Het geheel verplaatst hij naar een ruimte bij kamertemperatuur, zodat de vezels oplossen. Waar eerst vezels zaten, zitten nu dus zeer smalle kanaaltjes. De onderzoekers kunnen daarop vervolgens de pompjes aansluiten die de benodigde chemicaliën en zuurstof door het systeem verspreiden. Deze aanpak bleek succesvol: na een week was 90 % van de cellen nog in leven; vergeleken met 60 tot 70 % bij een systeem waarbij geen microkanaaltjes aanwezig zijn.
Beter dan bestaande techniek
Hiermee bewijzen de onderzoekers dat de suikerspinmethode beter geschikt is voor het maken van vezelnetwerken dan de bestaande techniek electrospinning. Hun vervolgonderzoek richt zich op het maken van verschillende soorten vezelnetwerken met verschillen celtypen, zodat ze de verschillende weefsels in het menselijk lichaam kunnen nabootsen.
Bekijk de video die Vanderbilt University heeft gemaakt over de doorbraak:
Beeld en video's: Vanderbilt University.
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.