Een onconventionele buis die levens kan redden

 ‘We maken een fantasie waar: een buis met totaal onconventionele mechanische eigenschappen. Het kan complicaties helpen voorkomen bij endovasculaire reparaties van slagaders.’

 Als je een kracht uitoefent op een holle buis van buigzaam materiaal dan zal het op een bepaalde manier vervormen. Op basis van alledaagse ervaringen hebben we allemaal wel een beeld van hoe een buisvormige structuur knikt als het wordt samengedrukt. Door de buis stijver te maken, kan het risico op vervormingen en knikken worden verminderd. Maar wat als je een buis nodig hebt die zowel stijf als buigzaam is? Eentje die niet knikt of zijn ronde profiel verliest? Er is geen natuurlijk materiaal of eenvoudig ontwerp dat aan deze eisen voldoet. Toch gingen Dr. Farbod Alijani (Afd. Precision and Microsystem Engineering), Dr. Dimitra Dodou (Afd. BioMechanical Engineering) en hun collega’s de uitdaging aan om een dergelijk systeem te ontwerpen. Geen ruimte voor vergissingen, want de buisjes zijn bedoeld om de levens te redden van patiënten met een acuut aneurysma in de slagader bij het hart. Het cohesieproject van de onderzoekers, getiteld ‘Compliant Shells for Thoracic Endovascular Aortic Aneurysm Repair,’ moet aantonen dat een origami-achtig gevouwen structuur de oplossing kan zijn.

Schaalstructuren voor de gezondheidszorg
Schaalstructuren zijn dunne, gebogen en aaneengesloten structuren, veelvoorkomend in de natuur en alledaagse voorwerpen. Over het algemeen zijn het lichtgewicht structuren en bij uitstek geschikt voor gebruik in de bouw en voor industriële toepassingen zoals pijpleidingen en reactorvaten. Ze hebben daarnaast echter ook een vorm die complex gedrag vertoont en lastig te analyseren is. Voordat hij naar de TU Delft kwam, hield Alijani zich vooral bezig met het theoretisch en numeriek modelleren van de mechanische eigenschappen van deze schaalstructuren. ‘Wat het voor mij aantrekkelijk maakte om naar de TU Delft te komen, was het vooruitzicht om met ontwerpers van schaalstructuren samen te kunnen werken.

Dr. Farbod Alijani

Dr. Dimitra Dodou

Samenwerking voor maatschappelijke impact
Alijani wilde daarbij altijd al zijn expertise inzetten voor een vakgebied met de meest tastbare impact op de levens van mensen: de gezondheidszorg. ‘Ik ben niet bang voor bloed en wil daadwerkelijke maatschappelijke impact realiseren. Mijn groepsleider bij de TU Delft stelde me voor aan chirurgen van het Leids Universitair Medisch Centrum, met wie ik in gesprek ging over wat wij kunnen ontwerpen en wat zij nodig hebben.’ Om zijn technische expertise toe te kunnen passen op medische hulpmiddelen, had Alijani wel de hulp nodig van experts uit het biomedische veld. ‘Gelukkig heeft onze faculteit een uitstekende afdeling biomechanische technologie. Ik vroeg Dodou vanuit die afdeling om aan het project deel te nemen. Samen begeleiden we nu postdoc Dr. Guiseppe Radaelli. Hij is echt in het onderwerp gedoken, en keek zelfs bij een operatie over de schouders van de chirurgen mee.’

 ‘In Nederland behoort slagaderlijk aneurysma nog altijd tot de 25 belangrijkste doodsoorzaken’

Een aneurysma voorkomen
Het onderwerp dat Alijani identificeerde tijdens zijn gesprekken met de chirurgen in Leiden betreft patiënten met een aneurysma in de slagader, het belangrijkste bloedvat van het lichaam. Zo’n aneurysma is het eindpunt van een proces waarbij de mechanische eigenschappen van de aderwand langzaam verslechteren, waardoor de slagader uitstulpt als een ballon. Uiteindelijk knapt de ader, vaak met dodelijke gevolgen. Een manier om het scheuren van een reeds gevormd aneurysma te voorkomen, zonder de noodzaak van open-hart chirurgie, is door een zogenaamde stent-graft in de aangetaste ader aan te brengen door middel van een minimaal-invasieve ingreep. De stent-graft is feitelijk een buis die het aneurysma tegen scheuren behoedt. Het minimaal-invasieve karakter van de ingreep vereist dat de buis uit een flexibele geweven polyestermateriaal worden gemaakt, omhuld door een roestvrijstalen vlechtwerk dat stent wordt genoemd. Dit gaas wordt in een dunnere katheter geperst, die in de aorta wordt ingebracht. Zodra het zich op de juist plek bevindt, wordt de stent-graft uitgevouwen en neemt het de rol van het zieke deel van de slagader over, waarbij de druk op het aneurysma wordt weggenomen.

Complicaties
Ook al is de stent-graft een bewezen techniek, toch kunnen er complicaties optreden met verregaande gevolgen voor de patiënt. ‘De uiteinden van de stent-graft zijn cruciaal voor het succes van de procedure. Ze moeten op zo’n manier uitvouwen dat ze zich vastklemmen tegen de aderwand, zodat de stent-graft gefixeerd blijft waar die het meest nodig is: in het aneurysma. De natuurlijke microbeweging van de aorta als gevolg van de hartslag zorgt echter voor een ongewenste verschuiving van de stent-graft. Vaak worden er weerhaken aangebracht aan de uiteinden van het metalen vlechtwerk om deze beter vast te zetten. Die veroorzaken in een kwart van de gevallen helaas irritatie of zelfs het weglekken van bloed richting het aneurysma.’ Technisch gezien lijkt dit een onmogelijke situatie: de stent-graft moet stijf zijn om z’n vorm te behouden en de microbeweging van de slagader te weerstaan, maar deze stijfheid zorgt voor irritatie van het weefsel aan de uiteinden van de stent-graft, waar deze tegen de aderwand is vastgezet.    

 ‘Technisch gezien lijkt dit een onmogelijke situatie: de stent-graft moet tegelijk stijf en flexibel zijn.’    

Revolutionair ontwerp
Alijani nam de uitdaging met plezier aan. Zijn team ging aan de slag om een schaalachtige structuur te maken zonder natuurlijk equivalent: een zogenaamd metamateriaal dat zacht is in de radiale richting (waardoor het mee kan gaan met de microbeweging van de slagader) maar stijf in alle andere richtingen (waardoor het niet knikt en continu een kracht uitoefent waarmee de uiteindes van de stent-graft zich tegen de aderwand vastklemmen). Maar hoe maak je zo’n onmogelijk materiaal? Radaelli vond het antwoord in kirigami, een vouwtechniek verwant aan origami. En inderdaad, het prototype op Alijani’s bureau, een uitvergrote bouwsteen van wat ooit het metalen vlechtwerk van de stent-graft zou kunnen vervangen, lijkt op origami. Verrassend genoeg doet het precies wat de bedoeling is: het kan uitgerekt worden in de lengterichting maar buigt niet in andere richtingen. Op basis van dit ontwerp voerde Radaelli numerieke simulaties uit met veelbelovende resultaten. Alijani: ‘Na jaren gewerkt te hebben aan conventionele schaalstructuren is het erg bevredigend om een structuur te maken met eigenschappen die totaal onconventioneel zijn. Dit ontwerp kan revolutionair zijn!’  

‘Na jaren gewerkt te hebben aan conventionele schaalstructuren is het erg bevredigend om een structuur te maken met eigenschappen die totaal onconventioneel zijn. Dit ontwerp kan revolutionair zijn!’ 

Proefproject voor een grootschalig programma
Voor Alijani is het cohesieproject onderdeel van een groter plan. ‘Mijn projectvoorstel beschreef een grootschalig programma waarvan het cohesieproject, financieel ondersteund door het TU Delft Health Initiative, als proefproject zou fungeren.’ Nu de eerste resultaten behaald zijn, moet het systeem opgeschaald worden en moeten andere aspecten zoals de langetermijnstabiliteit bekeken worden. Knikt het systeem onder een bepaalde druk? Welke rol spelen de interacties tussen structuur en vloeistoffen? Dodou heeft daarnaast nog ander een idee om de stent-graft beter tegen de aderwand te bevestigen: een weefsellijm die al gebruikt wordt bij hart- en vaatoperaties. Uiteindelijk zal het team moeten gaan nadenken over het productieproces. ‘Dat gaat nog tenminste 10 jaar duren. Het project heeft de kleuterfase nu gepasseerd maar staat nog in de kinderschoenen.’

‘Het cohesieproject fungeert als proefproject voor een grootschalig programma dat zeker 10 jaar moet lopen.’

 

 


Dr. Farbod Alijani (Afd. Precision and Microsystems Engineering) promoveerde in 2011 aan de Technische Universiteit van Teheran, met specialisatie niet-lineaire trillingen en stabiliteit van schaalstructuren. Daarna werkte hij als postdoc aan de McGill University in Canada en als onderzoeker aan de Universiteit van Parma in Italië. Hij richt zich op uitdagingen in de niet-lineair dynamica en vloeistof-structuurinteracties op macro-, micro- en nanoschaal door middel van innovaties in experimenteel, theoretisch en numeriek onderzoek.

Dr. Dimitra Dodou (Afd. BioMechanical Engineering) promoveerde in 2006 (cum laude). Na een postdocperiode aan het Max Planck Instituut voor Metaalonderzoek ontving zij een NWO-Veni subsidie (2009) om de morfologie te onderzoeken van de bevestigingsmechanismen van in zee levende stekelhuidigen, en om deze na te maken voor de aanhechting van zacht weefsel. Ze werd in 2008 benoemd tot universitair docent en in 2017 tot universitair hoofddocent. Op het moment houdt ze zich bezig met de ontwikkeling van kleefmaterialen en -technieken voor een effectieve manipulatie van zacht en nat biologisch weefsel.