Een trekveer van dertig milligram

De krachtopnemer die ir. Erik van Dop vorig jaar tijdens zijn afstuderen ontwikkelde, maakt het voor medische onderzoekers in het Dijkzigt ziekenhuis in Rotterdam mogelijk om de kracht te meten die één spiercel uitoefent. Twee weken geleden ontving de werktuigbouwer voor zijn vinding de Bouwers-Van Leerprijs van Delft Instruments.

In het onderzoek naar de oorzaken van incontinentie en andere spierafwijkingen in het menselijk lichaam, willen medici de krachtkarakteristieken van aparte spiercellen kunnen bepalen. Zij denken dat er sterke en zwakke cellen bestaan en dat dat verschil een mogelijke oorzaak is voor incontinentie. De opdracht voor Van Dop was een krachtopnemer te ontwerpen en construeren waarmee het mogelijk zou zijn, met een nauwkeurigheid van enkele nanonewton, krachten van ongeveer ééntiende micronewton te meten. Dergelijke krachten worden geleverd door losse spiercellen. Vooral de stapresponsie van de spiercel en de tijdafhankelijkheid van de kracht zijn voor het medisch onderzoek belangrijk.

Van Dop: ,,Je zou zeggen, neem dan een bundeltje spiercellen en bepaal de kracht die zo’n bundel uitoefent. Het probleem is dan echter dat je niet precies weet hoeveel cellen er in zo’n bundel zitten en hoeveel er beschadigd zijn door het afsnijden van de spier.”

Een spiercel heeft een lengte van ongeveer driehonderd micrometer en een breedte van dertig micrometer. De vorm kun je goed vergelijken met een ballon gevuld met water. ,,Het is door deze vorm moeilijk de cel vast te pakken, ze doen dit nu door een knoop in de cel te leggen onder een microscoop. Het is een vervelende klus om een knoopje te leggen in een wormpje van driehonderd micrometer en het lukt gemiddeld maar één keer per dag om een levende cel te pakken.” Van Dop betreurt het dat voor dit praktische probleem nog geen oplossing gevonden is: ,,Er is verzuimd een opdracht te formuleren om een soort ‘grijper’ voor de cellen te maken.”
Vlieg

De krachtopnemer van de werktuigbouwer werkt anders dan eerder ontwikkelde modellen. Van Dop: ,,De cel wordt onder een voorspanning van tien micronewton ingeklemd tussen een veer en een vaste wand. Deze kracht is ongeveer honderd keer zoveel als de kracht die de cel zelf kan uitoefenen. Na activering van de cel door een elektrische puls trekt de spiercel samen. Een gevoelige optische sensor signaleert de uitwijking van het veersysteem en stuurt een signaal naar een elektromagneet die de veer, en dus de ingeklemde spiercel, terugbrengt op de oorspronkelijke lengte.”

De stroom die nodig is voor deze positieterugkoppeling is een maat voor de trekkracht van de cel. Het grote voordeel van deze methode is dat de cel niet ineenkrimpt bij samentrekken. Dit gebeurt in het menselijk lichaam ook niet omdat de spieren daar worden vastgehouden door pezen, zodat de lengte niet veel kan variëren.

Het apparaatje heeft een massa van dertig milligram, éénvijfde van de massa van een vlieg. Door het toepassen van verfijnde etstechnieken kunnen de verschillende minuscule onderdelen uit goedkoop plaatmateriaal vervaardigd worden. Hierdoor is de vinding van Van Dop voor slechts tien mille te vervaardigen, in vergelijking met de ongeveer vijftigduizend dollar voor de nu bestaande modellen een koopje. Hoewel Van Dop zelf sceptisch is of zijn krachtopnemer in de toekomst nog gebruikt gaat worden, ziet hij wel positieve kanten. ,,Ik heb een hoge resolutie-nulpuntsensor ontwikkeld voor weinig geld en die kan ook nog in andere gebieden toegepast worden”, aldus Dop, die tegenwoordig aio in Twente is.