Geluid verandert luchtbel in injectiespuit
Wetenschappers van de Universiteit Twente ontdekten dat een sterke akoestische golf een luchtbel kan laten veranderen in een injectiespuit, die kleine hoeveelheden vloeistof versnelt. Deze injectiespuit zouden artsen in de toekomst kunnen gebruiken om op heel specifieke plaatsen in het lichaam medicijnen toe te dienen. Claus-Dieter Ohl en Roy Ikink, onderzoekers in de groep van prof.dr. Detlef Lohse aan de Universiteit Twente beschreven de resultaten van hun onderzoek in mei 2003 in het vooraanstaande tijdschrift Physical Review Letters.
Het toedienen van medicijnen op specifieke plaatsen in het lichaam, om ze vervolgens van buitenaf te activeren, zou een wereld van nieuwe mogelijkheden voor medische behandelingen openen. Artsen zouden bijvoorbeeld kankertumoren plaatselijk kunnen behandelen met chemotherapie, en zo de schadelijke gevolgen voor andere vitale lichaamsdelen beperken. Ook zouden ze heel lokaal cellen met gentherapie kunnen behandelen. Tot nu is er echter geen goede methode om de medicijnen op de juiste plek toe te dienen en op het juiste moment te activeren. De injectiespuit die Ohl en Ikink maakten van een luchtbel is een stap op weg naar lokale toediening van medicijnen. Het grote voordeel van deze spuit is dat de arts op afstand een bepaalde hoeveelheid medicijn op het gewenste moment kan injecteren in de te behandelen cel. De Twentenaren laten in hun onderzoek de natuurkunde zien achter deze lang voorziene toepassing.
Luchtbel-jet
Om een luchtbel te veranderen in een injectiespuit, beschoten Ohl en Ikink een luchtbel met een sterke akoestische golf. De hoge druk van de geluidsgolf zorgt ervoor dat de luchtbel op een niet-sferische wijze krimpt en de vorm van sigaar aanneemt. Vervolgens wordt in minder dan een microseconde een naaldvormige stroming veroorzaakt vanaf het punt waar de geluidsgolf de bel raakt, via het midden van de bel door de tegenoverliggende wand naar buiten. Deze naaldvormige stroming wordt 'jet' genoemd. De onderzoekers kunnen de richting en de lengte van de 'jet' variëren door de grootte van de luchtbel en de sterkte van de geluidsgolf aan te passen. Door microscopische hogesnelheidsopnamen hebben de Twentenaren ontdekt dat bellen variërend in grootte van 7 tot 55 micrometer dit gedrag vertonen en dat het verplaatste volume in de orde van enkele femtoliters ligt (één femtoliter is 10-15 liter, ofwel een miljoenste van een miljoenste van een milliliter). Deze hoeveelheid is voldoende om grote moleculen, zoals plasmiden, stukjes erfelijk materiaal van bacteriën die artsen gebruiken voor gentherapie, in te brengen in een levende cel. Door de hoge snelheid van de stroming verwachten de wetenschappers dat een luchtbel-jet met gemak het membraan van een nabije cel kan doorboren, waardoor opgeloste medicijnen kunnen binnendringen in de uitgekozen cellen.
Het experiment
Voor het genereren van de schokgolf maken Ohl en Ikink gebruik van een, voor dit onderzoek iets aangepaste, uitwendige niersteenvergruizer, een apparaat dat al meer dan twintig jaar in gebruik is. In de toekomst is de hier beschreven toepassing om bellen om te zetten in minuscule injectienaalden misschien een nieuwe toepassing voor dit apparaat. De bron van schokgolven brengt de geluidsgolven samen op een afstand van veertien centimeter en onder een hoek van 45 graden met de horizon. Enkele millimeters onder het brandpunt maakt gepulseerde electrolyse een groep van vier tot tien luchtbellen, die vervolgens vrij kunnen stijgen door het water dat deels van gassen ontdaan is. Nadat de schokgolf is afgeschoten, legt een snelle twee-beeldscamera, die is uitgerust met een lange-afstandsmicroscoop, de bewegingen van de luchtbel vast.
Voor meer informatie over dit onderzoek kunt u contact opnemen met dr. Claus-Dieter Ohl, Universiteit Twente, telefoon (053) 489 56 04.
De illustraties zijn op te vragen bij Annemarie Zegers, Stichting FOM, telefoon: (030) 600 12 18.