Afgekeken uit de natuur

Medische instrumenten

Wat kunnen ingenieurs leren van een sluipwesp of inktvistentakel? Veel, zo laat de Bio-Inspired Technology Group (BITE group) van de TU Delft zien. De onderzoekers ontwikkelen samen met biologen van de Universiteit Wageningen medische instrumenten geïnspireerd op de natuur.

Tekst: Dirk-Jan Zom, beeld: Bob Eshuis

Dit artikel is verschenen in het NWO-magazine Resultaat.

 ‘Combineer je slimme menselijke technologie met wat de evolutie heeft opgeleverd, dan kom  je tot oplossingen die anders niemand zou bedenken’, zegt hoogleraar Paul Breedveld.  Samenwerking is cruciaal: ‘Dit lukt alleen als je de ingenieur naast een bioloog zet.’

Inktvis als inspiratie voor medisch instrument (credits: Bob Eshuis)

Inktvis

Bij sleutelgatchirurgie moeten medische instrumenten van vaak slechts enkele millimeters dik in nauwe ruimtes kunnen bewegen. Een scharnier op deze schaal is echter lastig te ontwikkelen. De onderzoekers bestudeerden een inktvistentakel, waarin lagen van spieren in verschillende richtingen over elkaar heen liggen. Ze gebruikten dit idee voor een instrument waarin parallel liggende kabels omgeven zijn door spiraalvormige kabels. Daarmee kan de top van het instrument alle kanten op bewegen en om een hoekje kijken. Het wereldwijd gepatenteerde idee leidde tot de dunste, in alle richtingen stuurbare medische
instrumenten ter wereld.

Sluipwesp als inspiratie voor medisch instrument (credits: Bob Eshuis)

Sluipwesp

Om behandeling op moeilijk bereikbare plekken als hersenen mogelijk te maken, zijn extreem dunne medische instrumenten nodig. Met de sluipwesp als voorbeeld ontwikkelden de onderzoekers de dunste (0,4 mm), zichzelf voortstuwende, stuurbare naald ter wereld. De legboor van de sluipwesp is zo lang dat het insect eigenlijk te klein is om de buis van buitenaf ergens in te duwen. Het geheim is dat de legboor zichzelf vooruit kan trekken, doordat deze uit drie los van elkaar bewegende delen bestaat, met elkaar verbonden door groefjes. De onderzoekers gebruikten dit principe en verbonden een krans van losse naalddelen met minuscule ringetjes. De naalddelen kunnen één voor één naar voren worden geschoven waardoor de naald stapsgewijs het weefsel ingaat.

Zee-egel als inspiratie voor medisch instrument (credits: Bob Eshuis)

Zee-egel

Bij een biopsie wil het weefsel nog weleens door het mes naar achteren worden geduwd. Dankzij de zee-egel is dat probleem verholpen. Dit dier heeft een zeer geavanceerd kaakapparaat, dat bestaat uit verschillende spieren en vijf tanden die in een cirkelvormige krans staan. De onderzoekers ontwierpen een biopsie-instrument met mesjes in de vorm van een kroontje. De mespunten boren zich in het weefsel en bewegen naar elkaar toe; het kroontje sluit zich vervolgens om een monster te nemen. Dankzij veeraandrijving gaat het biopteren op hoge snelheid, waardoor de naald stapsgewijs het weefsel ingaat.

Mantisgarnaal als inspiratie voor medisch instrument (credits: Bob Eshuis)

Mantisgarnaal

Chronisch verstopte kransslagaderen (CTO) zijn vaak lastig te doorboren. De benodigde kracht ontbreekt doordat het stolsel is verkalkt en de gebruikte katheters en voerdraden slap zijn. Onderzoekers ontwikkelden een katheter die een harde tik op het verkalkte stolsel kan geven. Model hiervoor stond onder andere de mantisgarnaal. Dit zeedier kan een soort klauwen op hoge snelheid uitvouwen en een prooi zo een enorme stoot geven. Het eerste prototype had al gelijk voldoende kracht en snelheid om door een verstopte ader te ‘prikken’. Inmiddels is deze technologie in hydraulische katheters ingebouwd.

Download