Met een buigzame, flinterdunne en stuurbare naald kunnen chirurgen beter opereren. In Wageningen bestuderen onderzoekers daarom de boor waarmee de sluipwesp eitjes legt. Op grond van hun bevindingen hebben Delftse collega’s een eerste prototype naald ontwikkeld, de dunste ter wereld. Oplossingen uit de natuur staan vaker aan de wieg van menselijke vindingen, van zelfreinigende verf tot onderwaterrobots.
Bij medische ingrepen wil je de weefsels, zenuwbanen en aderen zo min mogelijk beschadigen. Soms is dat lastig, bijvoorbeeld bij ingrepen in de hersenen of rondom het ruggenmerg. Onderzoekers van de TU Delft wilden daarom een flinterdunne, flexibele en stuurbare naald ontwikkelen. Ze vroegen hun Wageningse collega’s om inspiratie uit de natuur. Die staken op hun beurt hun licht op bij de sluipwesp.
Foto: Uroš Cerkvenik, Sander W. S. Gussekloo, and Johan L. van Leeuwen (Speciale notitie: Photoshop werd gebruikt om brekingseffecten te corrigeren die zich voordoen bij de gel / luchtgrens.)
De sluipwesp legt haar eitjes in larven van andere insecten, die in planten of vruchten verstopt zitten. De eitjes legt de wesp met een dunne, holle buis aan haar achterlijf, de zogenoemde legboor. Hiermee boort ze door obstakels, tot ze de larven bereikt waarin ze haar eitjes achterlaat. Deze larven dienen later als voedsel voor de uitgekomen sluipwesplarven. Het bijzondere is dat de legboor van de sluipwesp enorm flexibel is.
S-bochten maken
De onderzoekers filmden de sluipwespen terwijl ze hun eitjes legden in doorzichtige gels. Zo zagen ze dat de legboor in alle richtingen kan buigen tot bijna 180 graden en zelfs een S-bocht kan maken. Daardoor kan de wesp om hardere delen in planten of vruchten heen bewegen. Op die manier kan ze de flinterdunne boor heel precies naar haar doel sturen. En dat buigzame en stuurbare is precies wat de chirurg nodig heeft in een medische naald.
‘De legboor is gebaseerd op een mooie graaftechniek, hij graaft zichzelf naar binnen’, vertelt de enthousiaste Wageningse onderzoeker Sander Gussekloo. Hij en zijn collega’s ontdekten hoe de drie schuivende delen waaruit de legboor bestaat – één boven en twee onder – afwisselend worden bewogen. ‘Door het onderste deel telkens verder uit te schuiven dan het bovenste stuk, kan de wesp bochten maken.’
Dunste naald ter wereld
Prototype van de stuurbare naald die de Technische Universiteit Delft ontwikkelde. Foto: Paul Breedveld & Marta Scali, www.bitegroup.nl.
Inmiddels zijn in Delft de eerste prototype stuurbare naalden gemaakt, de dunste ter wereld. Ze bestaan uit zeven los bewegende en schuivende draden. Dus nog meer dan bij de sluipwesp. Maar de naald kan nog niet zulke scherpe bochten maken, tekent Gussekloo aan. ‘Materiaal dat door mensenhanden aan elkaar wordt geplakt, is toch lastiger om te buigen dan biologisch materiaal. In de legboor zit variatie in de flexibiliteit en dat kunnen mensen nog niet namaken.’ Het Delftse prototype is de eerste aanzet.’ Gussekloo is nog aan het onderzoeken hoe de sluipwesp de legboor precies stuurt. ‘Ze kan de legboor alle kanten opsturen. Er zitten geen spiertjes in de boor zelf en de wesp stuurt hem aan met de spiertjes in haar achterlijf. De vraag is nog: hoe?’
Plakkende boomkikkers
TU Delft en Wageningen University & Research werken op meer fronten samen aan nieuwe technologieën voor de medische sector. Ook problematisch is bijvoorbeeld het vastpakken van natte weefsels en organen bij operaties. Daarbij kan ook weer beschadiging optreden. Wetenschappers bekijken nu de hechttechniek van de boomkikker, die aan natte bladeren vastplakt. Dat kan dankzij speciale structuren op zijn voetkussentjes die zorgen voor hechting. Wageningen en Delft willen op basis van dit idee pincetten ontwikkelen waarmee je op zachte wijze grip krijgt op natte weefsels.
“ Het mooie is dat de natuur in miljoenen jaren evolutie oplossingen heeft bedacht. Die hoeven we alleen maar na te maken, maar dat is niet makkelijk.”
Sander Gussekloo, onderzoeker bij Wageningen University & Research
Deel deze quote:
Evolutie
Inmiddels zijn er veel geslaagde voorbeelden van bio-inspired design, oftewel oplossingen uit de natuur. Bijvoorbeeld zelfreinigende verf, dat is afgekeken van de bovenlaag van de bladeren van de lotusplant, of snelle zwemkleding gebaseerd op haaienschubben. Wageningen werkt in dit soort projecten meestal vanuit de vraag van een technische universiteit of bedrijf. Zo werken ingenieurs ook aan onderwaterrobots, waarvoor wetenschappers de kunst van zwemmen hebben afgekeken bij zeepaardjes en inktvissen. ‘Rotoren in onderwaterdrones waaien zand op de bodem op. Daarom kijken collega’s naar andere manieren van zwemmen en stilhouden’, legt Gussekloo uit.
‘Het mooie is dat de natuur in miljoenen jaren evolutie oplossingen heeft bedacht voor problemen die mensen nu tegenkomen. Die hoeven we alleen maar na te maken, maar dat is niet makkelijk’, vertelt Sander Gussekloo. Bovendien is het bijzonder om te kunnen meewerken aan de stuurbare naald, die in de toekomst bij veel ingrepen van pas zal komen, zegt hij. ‘Als een fabrikant interesse toont en de naald wil gaan produceren, kan de verdere ontwikkeling snel gaan.’
Samenwerking WUR en Delft in dit sluipwesp-naald onderzoeksproject
WUR bestudeert de werking van de legboor van de sluipwesp. Het Wageningse team bestaat uit:
– Uroš Cerkvenik, PhD candidate, experimentation and modelling
– Sander Gussekloo, co-promotor, biomechanical analysis
– Johan van Leeuwen, promotor, biomechanical analysis
TU Delft ontwikkelt en construeert stuurbare naalden. Het Delftse team bestaat uit:
– Marta Scali, PhD candidate, needle design and testing
– Dimitra Dodou, co-promotor, bioinspired design
– Paul Breedveld, promotor, bioinspired design
De Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek, onderdeel Toegepaste en Technische Wetenschappen (NWO TTW), financiert dit project.
