STW.nl

U bent hier

Floris van den Brink: Simon Stevin Gezel 2017

Floris van den Brink is tijdens het NWO-festival TEKNOWLOGY verkozen tot Simon Stevin Gezel 2017. Hij ontwikkelde een elektrochemische microreactor waarmee je de omzetting van medicijnen in het menselijk lichaam kunt nabootsen. ‘Je kunt in een microreactor niet zomaar twee vloeistoffen bij elkaar brengen en hopen dat ze met elkaar vermengen.’
 
Tijdens zijn studie elektrotechniek aan de Universiteit Twente ontdekte Floris van het Brink (Voorthuizen, 1985) dat zijn interesse vooral uitging naar elektrochemische processen. Die komen bijvoorbeeld voor in de elektrolyse en zuivering van water, in batterijen en bij de productie van chemicaliën. ‘Het is een multidisciplinair onderzoeksgebied’, zegt Van de Brink. ‘Je moet kennis hebben van elektronica, chemie en biologie. Dat vind ik veel interessanter dan met computers of elektronica bezig te zijn.’
 
Wegwerp-lab-on-a-chip
Zijn promotieonderzoek bij de Twentse vakgroep BIOS - Lab on a Chip bestond in het eerste jaar vooral uit het analyseren van chips die daar waren ontwikkeld. De centrale vraag luidde: is het mogelijk om deze zo goedkoop te maken, dat je ze als wegwerpproduct op de markt kunt brengen? Het bestaande ontwerp van glas met platina elektroden zou je moeten omvormen naar eentje van kunststof met koolstof elektroden. Al snel bleek echter dat het ondoenlijk was om micrometerdunne kanaaltjes en elektroden met polymeren te maken. 
 
Daarna ging het roer radicaal om: de chips moesten meer functionaliteit en betere meeteigenschappen krijgen. In plaats van glas koos men voor een veel duurder materiaal: silicium met boor-gedoteerd diamant (BDD). Van den Brink: ‘BDD is een heel interessant materiaal, omdat het nog minder reageert met chemische stoffen dan platina. Ook kunt je veel hogere potentialen aanbrengen, zodat je een grotere verscheidenheid aan reacties kunt uitvoeren. Maar je moet oplossingen vinden voor allerlei praktische dingen: hoe ets je BDD en hoe krijg je daar twee lagen aan kanaaltjes op? Om dat op te lossen, moet je veel in een cleanroom staan en aan ieder detail denken.’
 
Micromixer
Het intensieve ontwerp- en fabricagewerk leverde in het derde jaar een vondst op: een universele module voor microreactoren waarin je twee vloeistoffen met elkaar kunt vermengen. Het gaat om twee cirkelvormige kamers die met een verbinding direct naast elkaar komen te liggen. Het roteren van de vloeistof in de kamers levert een versnelde diffusie op. Dat biedt een oplossing voor het probleem dat stoffen in microkanalen moeilijk met elkaar te mengen zijn. 
 
Van den Brink: ‘Je kunt in een microreactor niet zomaar twee vloeistoffen bij elkaar brengen en hopen dat ze met elkaar vermengen. Dat komt door de typische hoogte-breedteverhouding van microfluïdische kanaaltjes. Er waren veel computersimulaties voor nodig om de diffusieprocessen goed te berekenen. Gelukkig bleek het systeem zo goed te werken als in de simulaties: bij een intern volume van 790 picoliter bereikten we meer dan 80 procent mixing efficiency.’ 
 
Metabolisme
Met de mixer is het voor het eerst mogelijk om biologische processen goed in een microreactor na te bootsen, bijvoorbeeld hoe de lever paracetamol verwerkt. ‘Ik moest me inlezen in de bio-organische chemie’, zegt Van den Brink. ‘Daarvoor ben ik colleges gaan volgen en de bibliotheek ingedoken om te leren: wat boots je nu precies na?’
 
De eerste stap in het metabolisme van veel medicijnen is zogeheten enzymatische oxidatie. In de chip kun je die oxidatie nabootsen aan het oppervlak van een elektrode. Voor Van den Brink was de volgende onderzoeksvraag: is het mogelijk om niet alleen oxidatieproducten te genereren, maar ook te zien of deze schadelijk zijn? Hij liet ze daarvoor in de mixer reageren met lichaamseigen eiwitten zoals hemoglobine. ‘Dat bleek uitstekend te werken’, zegt de onderzoeker. 
 
Identificatie van eiwitten
De volgende stap was het geschikt maken van de microreactor voor het opsplitsen van eiwitten. Dat is nodig om ze daarna te kunnen identificeren via massaspectrometrie. Het splitsen gebeurt tegenwoordig vooral enzymatisch. In de microreactor gebeurt het elektrochemisch: dat gaat veel sneller en met hoge efficiëntie. 
 
Het identificeren lukte met de geoptimaliseerde chip goed. De gemeten massaspectra werden vergeleken met een database waarin je kunt zoeken naar eiwitten op basis van gedetecteerde fragmenten. Het bleek dat er foutieve identificaties ontstaan als eiwitfragmenten aan elkaar vastzitten met zwavelbruggen. Het lukte van den Brink om in de microreactor ook deze binding voor detectie te splitsen. 
 
Deze experimenten waren gedaan in samenwerking met de vakgroep Analytical Biochemistry aan de Rijksuniversiteit Groningen. Het resultaat was een microreactor die snel en met een minimaal volume elektrochemische en chemische reacties kan uitvoeren. Die zijn zinvol voor bijvoorbeeld medicijn- en eiwitstudies. Van den Brink: ‘Het was ideaal dat ik elektrotechniek heb gestudeerd, omdat optimalisatie van dergelijke chips eigenlijk netwerkanalyses zijn. Je kunt ze ontwerpen als elektrische circuits.’
 
Spin-off
Inmiddels werkt Van den Brink als postdoc aan de Universiteit Twente. Een van de doelen is een spin-off oprichten voor het ontwikkelen van microfluïdische chips waarmee je bepaalde vormen van kanker kunt diagnosticeren. Van den Brink: ‘De financiering is nagenoeg rond, we moeten nu nog de goede mensen vinden. Ik ga me zelf met de technische kant bezig houden. Eind december is mijn postdoc-periode klaar, en dan moeten we als bedrijf draaien. Het is een spannende uitdaging.’
 
Simon Stevin Gezel 2017
Van den Brink won de titel Simon Stevin Gezel tijdens NWO's innovatiefestival TEKNOWLOGY. De overige kandidaten waren Nynke van den Berg en Bart Macco.