Kunstheupen houden steeds meer mensen op de been, want ouderdom komt met gebreken. Ir. Sander Leeuwenburgh probeert ervoor te zorgen dat het lichaam zulke implantaten beter accepteert.
Delen
Hij houdt de botcellen voor de gek met allerlei verschillende calciumfosfaatlaagjes.
Sander Leeuwenburgh ontwerpt bekleding voor kunstheupen. Om die bekleding een ruw oppervlak te geven, maakt hij een sponsachtig laagje van calciumfosfaatkristallen, een belangrijk bestanddeel van bot. Ook kan hij broccoli-achtige laagjes maken.
,,Met zulke poreuze structuren probeer ik de botcellen voor de gek te houden”, vertelt Leeuwenburgh. ,,We hopen dat het botweefsel sneller en beter hecht aan implantaatoppervlakken met zulke ruwe coatings van botmineralen.” Een stevige binding tussen de kunstheup en levend botweefsel moet kleine bewegingen van de kunstheup ten opzichte van het bot vermijden. Die bewegingen stimuleren namelijk de vorming van het veel minder sterke bindweefsel.
,,We apen overigens niet het bot in zijn geheel na, want de poriën in mijn sponsachtige coatings zijn veel kleiner dan die in echt bot”, aldus de vorige week afgestudeerde materiaalkundige. ,,Onze eerste resultaten zijn veelbelovend. Gekweekte beenmergcellen van ratten hechten op de coating en produceren na verloop van tijd een dun laagje botmineraal en collageen op de coating.”
Leeuwenburgh bracht de laatste zes maanden van zijn TU-studie materiaalkunde door tussen de tandartsen in het Nijmeegse Radboudziekenhuis. De Nijmegenaren waren via een artikel in de wetenschapsbijlage van NRC Handelsblad geïnteresseerd geraakt in een Delftse vinding om dunne, sponsachtige laagjes te maken met kleine druppeltjes die onder hoge spanning worden gevormd. Die techniek was ontwikkeld voor batterijen en zonnecellen, maar de Nijmegenaren hoopten dat het ook geschikt was om coatings voor kunstheupen van titanium mee te maken.
Om dat uit te proberen, toog Leeuwenburg met de Delftse opstelling in de achterbak van een auto naar Nijmegen, nadat hij eerst in vier maanden in Delft bij prof.dr. Joop Schoonman de techniek zelf had leren kennen.
Lichaamssappen
Leeuwenburgh gebruikt voor het maken van de coatings elektrosprays. Dit zijn kleine geladen druppeltjes die ontstaan door een vloeistof via een dunne naald in een sterk elektrisch veld (zo’n 10 kVolt) te spuiten. De straal die uit de naald komt, breekt onder invloed van het elektrische veld op in afzonderlijke druppeltjes. Per seconde zijn honderdduizenden druppels te maken.
De materiaalkundestudent spoot zo druppels van een organisch oplosmiddel met calcium- en fosfaationen op een verwarmd substraat. Daarop verdampt het oplosmiddel snel en slaat het calciumfosfaat neer.
Een van de mogelijke verklaringen voor de vorming van de sponsstructuur is dat die ontstaat doordat de buitenste randen van de druppels eerder verdampen, waardoor daar meer calciumfosfaatkristallen terechtkomen. De broccolistructuur ontstaat als de druppels zo klein zijn dat het oplosmiddel al verdampt voordat de druppels het substraat raken. Er worden dan al in de lucht calciumfosfaatkristallen gevormd. Ook als de student het substraat heel sterk verwarmt, vormen de kristallen een soort broccolistructuur.
,,De techniek is goedkoop en simpel te bedienen. En je kunt er redelijk gecontroleerd allerlei verschillende laagjes naar wens mee maken”, somt Leeuwenburgh de voordelen van de Delftse techniek op. Hij kan niet alleen variëren tussen een broccoli- en een sponsstructuur en alles wat er tussenin zit, hij heeft met zijn techniek controle over de kristalstructuur. Dat is de ordening van de moleculen ten opzichte van elkaar. Door de verhouding tussen fosfaat- en calciumionen te wijzigen zijn er namelijk verschillende soorten kristalstructuren te maken.
Elke kristalstructuur heeft zijn eigen biologische eigenschappen. Chaotische structuren zijn uit den boze. Dan krijgen de lichaamssappen er te makkelijk greep op en is de laag binnen de kortste keren opgelost. Te sterke structuren moet je ook vermijden. Deze coatings vertonen te weinig interactie met de lichaamsappen.
Vlam
Coatings van grotere deeltjes zijn al sinds de jaren tachtig te maken. Daarvoor moet een calciumfosfaatpoeder smelten in een vlam tot twintigduizend graden in een omgeving die vacuüm is. Een groot nadeel van deze bestaande techniek is dat grote, dure opstellingen nodig zijn. Daarnaast is het moeilijk om met deze techniek variaties in de coating aan te brengen. En juist door allerlei varianten te proberen kunnen onderzoekers op zoek gaan naar de meest ideale coating.
Leeuwenburghs techniek kan wel varianten maken en is veel goedkoper en preciezer. Wel zijn er nog een aantal nadelen. Bijvoorbeeld het gebruik van een organisch oplosmiddel. ,,Je kunt geen water gebruiken, omdat de oppervlaktespanning daarvan te hoog is voor het vormen van druppels”, legt Leeuwenburgh uit. Maar in organisch oplosmiddelen is het moeilijk om calciumfosfaat op te lossen. ,,Hierdoor slaat het calciumfosfaat soms al in je opstelling neer, en kan bijvoorbeeld de naald verstopt raken.”
De oplossing aanzuren voorkomt het neerslaan. Dat aanzuren zorgt echter ook voor kleinere druppeltjes die snel verdampen, ontdekte Leeuwenburgh. Een sponsachtige structuur is dan niet meer goed te maken. ,,We moeten vooral het proces beter gaan begrijpen, want alle veranderingen die je maakt beïnvloeden het gehele proces”, zegt Leeuwenburgh. Hij zet in mei zijn onderzoek in Nijmegen voort als promovendus.
Verder is de techniek die Leeuwenburgh gebruikt nog niet geoptimaliseerd. ,,Doordat ik vanuit Delft een opstelling had meegenomen die de druppels omhoog spoot via een scherpe naald, was ik met handen en voeten gebonden.” Met een stompe naald die omlaag spuit kun je veel meer druppeltjes maken. Voor de Delftsetoepassing, dunne laagjes voor batterijen en zonnecellen, was dat geen optie omdat dan ook grotere druppels het substraat kunnen raken en het heel dunne laagje in een keer kunnen verpesten.
,,Ik kon met mijn opstelling alleen snel genoeg werken door de spanning zo hoog in te stellen dat er twee stralen ontstonden die een beetje heen en weer wapperen. Je kunt er wel goede laagjes mee maken, maar het geeft helaas een slechte procescontrole.”
Als promovendus gaat Leeuwenburgh in Nijmegen de techniek geschikter maken voor het maken van coatings, samen met de Delftse electrosprayspecialist dr.ir. Jan Marijnissen. ,,Ze zijn in Nijmegen nog steeds geïnteresseerd in deze technologie, want botcellen reageren uitstekend op de coatings. Na zeven dagen zie je al duidelijk botbestanddelen verschijnen.”
ERBIJ:
Botcellen van ratten lijken wel gecharmeerd van de met elektrosprays gemaakte sponsstructuur (links) en de broccolistructuur (rechts)
Illustraties: Sander Leeuwenburgh
Astmamedicijnverstuiver
Dr.ir. Jan Marijnissen werkt al dertien jaar aan elektrosprays en hij kan de verschillende toepassingen van zijn specialisme inmiddels niet meer op één hand tellen.
Zijn onderzoeksgroep ontdekte bij toeval dat in een sterk elektrisch veld een spray van druppels kan worden gevormd. ,,Als een kind probeerden we gewoon uit wat er zou gebeuren als we de spanning flink opvoerden. Toen bleek op de naald een soort kegelvorm van vloeistof te ontstaan met een vloeistofstraal die door de spanning in druppels van gelijke grote werd afgebroken. Een heel stabiel systeem.”
,,We kunnen druppels van allerlei verschillende maten en samenstelling maken. We hebben bijvoorbeeld al heel kleine druppels van 10 nanometer gemaakt”, vertelt Marijnissen van de sectie particle and risk management technology. Vooral de constante grootte van de druppels en hun elektrische lading is voor veel toepassingen interessant.
Elektrosprays hebben al positieve klinische resultaten behaald als astmamedicijnverstuivers. Patiënten die op deze manier hun vaatverwijderaars krijgen toegediend, hebben vijf keer zo weinig van de werkzame stof nodig omdat ze hun medicijn alleen via deeltjes van de juiste grootte krijgen toegediend. Te grote deeltjes blijven namelijk al in de luchtpijp hangen en te kleine deeltjes schieten meteen de longblaasjes in.
Verder kan je met elektrosprays een medicijn met een coating maken. ,,Dit doen we met twee sprays, een met positieve druppeltjes en een met negatieve. De stof die opgelost is in de vloeistof die het langzaamst opdroogt, vormt dan een coating om de andere heen.”
Ook voor chemici die robots hun experimenten willen laten uitvoeren zijn elektrosprays interessant. Zij proberen er hele kleine reactorputjes mee te vullen waardoor een robot op een klein oppervlak vele verschillende reacties kan uitvoeren.
Verder worden elektrosprays gebruikt voor het maken van efficiënte luchtfilters van polymeervezels met een permanente elektrische lading. Een collega van Marijnissen onderzoekt of een efficiënte toediening van bestrijdingsmiddelen in de tuinbouw met elektrosprays mogelijk is.
Foto: Fred Hammers
Kunstheupen houden steeds meer mensen op de been, want ouderdom komt met gebreken. Ir. Sander Leeuwenburgh probeert ervoor te zorgen dat het lichaam zulke implantaten beter accepteert. Hij houdt de botcellen voor de gek met allerlei verschillende calciumfosfaatlaagjes.
Sander Leeuwenburgh ontwerpt bekleding voor kunstheupen. Om die bekleding een ruw oppervlak te geven, maakt hij een sponsachtig laagje van calciumfosfaatkristallen, een belangrijk bestanddeel van bot. Ook kan hij broccoli-achtige laagjes maken.
,,Met zulke poreuze structuren probeer ik de botcellen voor de gek te houden”, vertelt Leeuwenburgh. ,,We hopen dat het botweefsel sneller en beter hecht aan implantaatoppervlakken met zulke ruwe coatings van botmineralen.” Een stevige binding tussen de kunstheup en levend botweefsel moet kleine bewegingen van de kunstheup ten opzichte van het bot vermijden. Die bewegingen stimuleren namelijk de vorming van het veel minder sterke bindweefsel.
,,We apen overigens niet het bot in zijn geheel na, want de poriën in mijn sponsachtige coatings zijn veel kleiner dan die in echt bot”, aldus de vorige week afgestudeerde materiaalkundige. ,,Onze eerste resultaten zijn veelbelovend. Gekweekte beenmergcellen van ratten hechten op de coating en produceren na verloop van tijd een dun laagje botmineraal en collageen op de coating.”
Leeuwenburgh bracht de laatste zes maanden van zijn TU-studie materiaalkunde door tussen de tandartsen in het Nijmeegse Radboudziekenhuis. De Nijmegenaren waren via een artikel in de wetenschapsbijlage van NRC Handelsblad geïnteresseerd geraakt in een Delftse vinding om dunne, sponsachtige laagjes te maken met kleine druppeltjes die onder hoge spanning worden gevormd. Die techniek was ontwikkeld voor batterijen en zonnecellen, maar de Nijmegenaren hoopten dat het ook geschikt was om coatings voor kunstheupen van titanium mee te maken.
Om dat uit te proberen, toog Leeuwenburg met de Delftse opstelling in de achterbak van een auto naar Nijmegen, nadat hij eerst in vier maanden in Delft bij prof.dr. Joop Schoonman de techniek zelf had leren kennen.
Lichaamssappen
Leeuwenburgh gebruikt voor het maken van de coatings elektrosprays. Dit zijn kleine geladen druppeltjes die ontstaan door een vloeistof via een dunne naald in een sterk elektrisch veld (zo’n 10 kVolt) te spuiten. De straal die uit de naald komt, breekt onder invloed van het elektrische veld op in afzonderlijke druppeltjes. Per seconde zijn honderdduizenden druppels te maken.
De materiaalkundestudent spoot zo druppels van een organisch oplosmiddel met calcium- en fosfaationen op een verwarmd substraat. Daarop verdampt het oplosmiddel snel en slaat het calciumfosfaat neer.
Een van de mogelijke verklaringen voor de vorming van de sponsstructuur is dat die ontstaat doordat de buitenste randen van de druppels eerder verdampen, waardoor daar meer calciumfosfaatkristallen terechtkomen. De broccolistructuur ontstaat als de druppels zo klein zijn dat het oplosmiddel al verdampt voordat de druppels het substraat raken. Er worden dan al in de lucht calciumfosfaatkristallen gevormd. Ook als de student het substraat heel sterk verwarmt, vormen de kristallen een soort broccolistructuur.
,,De techniek is goedkoop en simpel te bedienen. En je kunt er redelijk gecontroleerd allerlei verschillende laagjes naar wens mee maken”, somt Leeuwenburgh de voordelen van de Delftse techniek op. Hij kan niet alleen variëren tussen een broccoli- en een sponsstructuur en alles wat er tussenin zit, hij heeft met zijn techniek controle over de kristalstructuur. Dat is de ordening van de moleculen ten opzichte van elkaar. Door de verhouding tussen fosfaat- en calciumionen te wijzigen zijn er namelijk verschillende soorten kristalstructuren te maken.
Elke kristalstructuur heeft zijn eigen biologische eigenschappen. Chaotische structuren zijn uit den boze. Dan krijgen de lichaamssappen er te makkelijk greep op en is de laag binnen de kortste keren opgelost. Te sterke structuren moet je ook vermijden. Deze coatings vertonen te weinig interactie met de lichaamsappen.
Vlam
Coatings van grotere deeltjes zijn al sinds de jaren tachtig te maken. Daarvoor moet een calciumfosfaatpoeder smelten in een vlam tot twintigduizend graden in een omgeving die vacuüm is. Een groot nadeel van deze bestaande techniek is dat grote, dure opstellingen nodig zijn. Daarnaast is het moeilijk om met deze techniek variaties in de coating aan te brengen. En juist door allerlei varianten te proberen kunnen onderzoekers op zoek gaan naar de meest ideale coating.
Leeuwenburghs techniek kan wel varianten maken en is veel goedkoper en preciezer. Wel zijn er nog een aantal nadelen. Bijvoorbeeld het gebruik van een organisch oplosmiddel. ,,Je kunt geen water gebruiken, omdat de oppervlaktespanning daarvan te hoog is voor het vormen van druppels”, legt Leeuwenburgh uit. Maar in organisch oplosmiddelen is het moeilijk om calciumfosfaat op te lossen. ,,Hierdoor slaat het calciumfosfaat soms al in je opstelling neer, en kan bijvoorbeeld de naald verstopt raken.”
De oplossing aanzuren voorkomt het neerslaan. Dat aanzuren zorgt echter ook voor kleinere druppeltjes die snel verdampen, ontdekte Leeuwenburgh. Een sponsachtige structuur is dan niet meer goed te maken. ,,We moeten vooral het proces beter gaan begrijpen, want alle veranderingen die je maakt beïnvloeden het gehele proces”, zegt Leeuwenburgh. Hij zet in mei zijn onderzoek in Nijmegen voort als promovendus.
Verder is de techniek die Leeuwenburgh gebruikt nog niet geoptimaliseerd. ,,Doordat ik vanuit Delft een opstelling had meegenomen die de druppels omhoog spoot via een scherpe naald, was ik met handen en voeten gebonden.” Met een stompe naald die omlaag spuit kun je veel meer druppeltjes maken. Voor de Delftsetoepassing, dunne laagjes voor batterijen en zonnecellen, was dat geen optie omdat dan ook grotere druppels het substraat kunnen raken en het heel dunne laagje in een keer kunnen verpesten.
,,Ik kon met mijn opstelling alleen snel genoeg werken door de spanning zo hoog in te stellen dat er twee stralen ontstonden die een beetje heen en weer wapperen. Je kunt er wel goede laagjes mee maken, maar het geeft helaas een slechte procescontrole.”
Als promovendus gaat Leeuwenburgh in Nijmegen de techniek geschikter maken voor het maken van coatings, samen met de Delftse electrosprayspecialist dr.ir. Jan Marijnissen. ,,Ze zijn in Nijmegen nog steeds geïnteresseerd in deze technologie, want botcellen reageren uitstekend op de coatings. Na zeven dagen zie je al duidelijk botbestanddelen verschijnen.”
ERBIJ:
Botcellen van ratten lijken wel gecharmeerd van de met elektrosprays gemaakte sponsstructuur (links) en de broccolistructuur (rechts)
Illustraties: Sander Leeuwenburgh
Astmamedicijnverstuiver
Dr.ir. Jan Marijnissen werkt al dertien jaar aan elektrosprays en hij kan de verschillende toepassingen van zijn specialisme inmiddels niet meer op één hand tellen.
Zijn onderzoeksgroep ontdekte bij toeval dat in een sterk elektrisch veld een spray van druppels kan worden gevormd. ,,Als een kind probeerden we gewoon uit wat er zou gebeuren als we de spanning flink opvoerden. Toen bleek op de naald een soort kegelvorm van vloeistof te ontstaan met een vloeistofstraal die door de spanning in druppels van gelijke grote werd afgebroken. Een heel stabiel systeem.”
,,We kunnen druppels van allerlei verschillende maten en samenstelling maken. We hebben bijvoorbeeld al heel kleine druppels van 10 nanometer gemaakt”, vertelt Marijnissen van de sectie particle and risk management technology. Vooral de constante grootte van de druppels en hun elektrische lading is voor veel toepassingen interessant.
Elektrosprays hebben al positieve klinische resultaten behaald als astmamedicijnverstuivers. Patiënten die op deze manier hun vaatverwijderaars krijgen toegediend, hebben vijf keer zo weinig van de werkzame stof nodig omdat ze hun medicijn alleen via deeltjes van de juiste grootte krijgen toegediend. Te grote deeltjes blijven namelijk al in de luchtpijp hangen en te kleine deeltjes schieten meteen de longblaasjes in.
Verder kan je met elektrosprays een medicijn met een coating maken. ,,Dit doen we met twee sprays, een met positieve druppeltjes en een met negatieve. De stof die opgelost is in de vloeistof die het langzaamst opdroogt, vormt dan een coating om de andere heen.”
Ook voor chemici die robots hun experimenten willen laten uitvoeren zijn elektrosprays interessant. Zij proberen er hele kleine reactorputjes mee te vullen waardoor een robot op een klein oppervlak vele verschillende reacties kan uitvoeren.
Verder worden elektrosprays gebruikt voor het maken van efficiënte luchtfilters van polymeervezels met een permanente elektrische lading. Een collega van Marijnissen onderzoekt of een efficiënte toediening van bestrijdingsmiddelen in de tuinbouw met elektrosprays mogelijk is.
Foto: Fred Hammers
Comments are closed.