NextSkins: EIC Pathfinder-beurs voor gezamenlijk onderzoek naar levende materialen

Een team onderzoekers van TU Delft, Imperial College London en Aalto University heeft een EIC Pathfinder Challenge-beurs van 4 miljoen euro ontvangen voor hun NextSkins-onderzoeksproject naar Engineered Living Materials. Met deze subsidie zullen zij de komende vijf jaar twee soorten meerlagige therapeutische en regeneratieve levende materialen ontwikkelen, met verschillende toepassingsgebieden: in de gezondheidszorg voor de behandeling van menselijke huidziekten, maar bijvoorbeeld ook voor beschermende kleding bij sportbeoefening.

Projectcoördinator Marie-Eve Aubin-Tam en Delftse collega-onderzoeker Elvin Karana hebben het NextSkins-project opgezet, samen met hun consortiumpartners Tom Ellis (Imperial College London) en Markus Linder (Aalto University). Ze onderzoeken beiden levende materialen; Aubin-Tam als associate professor Bionanoscience, en Karana als professor Materials Innovation and Design. "Wij hebben elkaar ontmoet op Biodate, een speed-dating evenement voor Delftse hoofdonderzoekers om interdisciplinaire medewerkers te vinden," zegt Aubin-Tam. Karana vertelt dat werken in dit consortium voor haar een droomproject is: "De toekomst van innovatie op het gebied van levende materialen is interdisciplinair. Het is zo'n genoegen om samen te werken met geweldige mensen die dezelfde ambitie hebben om een materiaal-gedreven maatschappelijke impact te hebben.”

Levend parelmoer

Net als de huid hebben de materialen verschillende lagen, elk met hun eigen functie, zoals voelen, herstellen en beschermen. "Wij willen een materiaal maken dat leeft, met levende cellen in het materiaal – niet alleen tijdens de vervaardiging ervan, maar ook tijdens het gebruik," legt Aubin-Tam uit. "Het creëren van levende materialen zal de manier waarop wij producten ontwerpen en ermee leven fundamenteel veranderen," voegt Karana eraan toe, "en onze ambitie is om twee baanbrekende levende materialen te ontwikkelen die mogelijk het leven van velen zullen veranderen.”

Een van de materialen is gebaseerd op een composiet dat bestaat uit zeer dunne laagjes calciumcarbonaat en biopolymeren, die parelmoer nabootsen. "Deze gelaagde structuur maakt het niet alleen glanzend, maar ook zeer stijf en sterk," legt Aubin-Tam uit. "Dat maakt het geschikt als beschermend element, bijvoorbeeld in een helm.” Haar groep heeft dit op parelmoer geïnspireerde materiaal reeds in het laboratorium ontwikkeld. De volgende stap is nu om het zelfhelend en reactief te maken door er levende sporen aan toe te voegen. "In droge vorm zijn deze sporen sluimerende bacteriën, maar ze kunnen gewekt worden om het materiaal op specifieke plaatsen te herstellen of te versterken.”

Therapeutische levende materialen

Het andere materiaal is een ‘therapeutische huid’, een levende hydrogel, bestaande uit een bacteriële cellulose die zintuiglijk reagerende gistcellen bevat, en bestemd zal zijn voor de behandeling van menselijke huidziekten. Potentiële innovatieve consumentenproducten, zoals huidmaskers en kussenovertrekken, zullen een grote invloed hebben op het welzijn van mensen die lijden aan ontstekingsziekten van de huid, zoals atopische dermatitis. Karana: "Atopische dermatitis is een van de meest voorkomende ziekten, waaraan wereldwijd 20% van kinderen en 5% van volwassenen lijdt. De ziekte wordt gekenmerkt door hevige jeuk, ontsteking en een rode verdikte huid, die de levenskwaliteit ernstig beïnvloedt door lichamelijk ongemak, beperkte sociale interacties, en slaapstoornissen.”

Hoewel er al enkele Engineered Living Materials bestaan, is het moeilijk gebleken om een substantiële hoeveelheid van zo'n materiaal te maken. Daarom willen zij aantonen dat zij een materiaal kunnen maken dat centimeters groot is in de breedte, lengte en hoogte. "Voor het parelmoercomposiet verwachten we eigenlijk dat we veel groter kunnen halen dan dat," zegt Aubin-Tam, "ik denk dat we zelfs tot meters kunnen opschalen.” De andere uitdaging die de onderzoekers aangaan is het sturen van de manier waarop de lagen van het materiaal zich in de loop van de tijd gedragen. "Dit zal een proof of concept zijn om aan te tonen dat wij dit echt kunnen waarmaken," zegt Aubin-Tam. Karana: "Wij gaan een digitaal hulpmiddel ontwikkelen om automatisch te onderzoeken hoe de kwaliteiten van onze regeneratieve NextSkins zich in de loop van de tijd ontwikkelen en hoe men optimale prestaties in het gebruik van de geïntegreerde NextSkins-producten kan bereiken.”

Uniek samenwerkingsverband

Nu de maatschappelijke impact in het onderzoek steeds belangrijker wordt, wordt ook de samenwerking tussen technologische ontwikkeling en ontwerptechniek belangrijker. "Wat uniek is aan onze samenwerking, is dat wij de potentiële eindgebruikers en ontwerpers systematisch bij ons onderzoek betrekken, zodat de materialen en de productontwikkeling gezamenlijk kunnen verlopen. Dit is vooral van belang bij het ontwerpen van nieuwe levende materialen die de maatschappij niet kent. Als wij streven naar  brede acceptatie van levende materialen in alledaagse consumptieartikelen, is de samenwerking tussen biotechnologie en ontwerp onvermijdelijk. Ontwerp brengt al vroeg in het proces het perspectief van de gebruiker bij de ontwikkeling van levende materialen," zegt Karana.

Voordat de ontwerponderzoekers de materialen volledig ontwikkelen, zullen zij zowel digitale als in de praktijk werkende prototypes maken, zodat zij de NextSkins-voorstellen kunnen bespreken met potentiële eindgebruikers (zoals huidpatiënten), artsen en ontwerpers. Karana: "Wij willen ons vooral focussen op de algemene ervaring en de sociale aanvaarding van het product, bijvoorbeeld de aanraking en het gevoel op de huid. Wij gaan ook na welke nieuwe verzorgingsgewoontes onze levende materialen zouden vereisen van de eindgebruikers en hoe het ontwerp de ontwikkeling van dergelijke gewoontes kan ondersteunen.”

Een ander uniek aspect van dit project is dat Karana's team aan de faculteit Industrieel Ontwerpen met NextSkins zal experimenteren en prototypes zal maken in hun eigen BioLab, dat in oktober zijn deuren zal openen. Met dit lab zal de TU Delft een van de eerste ML-1 biolabs huisvesten, die de ontwerpmogelijkheden van levende organismen onderzoekt voor duurzame materiaalalternatieven, unieke functies en ervaringen in alledaagse producten.