Nieuwe materialen maken door te leren van de natuur. Daaraan werkt Mohammad Mirzaali. Hij kijkt specifiek naar harde en zachte overgangen, die bijvoorbeeld in ons lichaam een hard bot verbinden met een zacht stukje weefsel.
Wanneer iemand botkanker heeft en de chirurg een stukje bot verwijdert, dan vervangt hij dit door een implantaat. Maar dat is nog niet zo eenvoudig. Het moet namelijk verbonden worden aan een bot dat hard is en aan weefsel dat juist heel zacht is. Voor materialen zijn dit soort overgangen heel lastig, omdat ze stevig dienen te zijn, maar tegelijkertijd het zachte weefsel niet mogen beschadigen.
“Wij zoeken naar manieren om materialen te maken die goed werken bij dit soort overgangen”, zegt onderzoeker Mohammad Mirzaali van de faculteit ME van de TU Delft. Zodat je bijvoorbeeld een beter implantaat kan maken. Maar het is ook toepasbaar voor de bouw van vliegtuigen. Hoe belangrijk dit soort harde en zachte verbindingen zijn, laat zich ook goed uitleggen door een alledaags voorbeeld. “De oplaadstekker van je telefoon heeft een hard gedeelte dat je in de smartphone steekt, maar ook een snoer dat zachter is. Bij vrijwel iedereen gaat de overgang van het harde stekkertje naar de kabel kapot. Dat laat zien hoe lastig het is om dit goed te ontwerpen. Je wilt natuurlijk niet dat een oplaadkabel steeds kapot gaat.”
De natuur heeft geweldige, ingenieuze oplossingen voor allerlei problemen. Toen Leonardo Da Vinci een vliegmachine wilde bouwen, keek hij ook naar vogels en vliegen. Op een soortgelijke manier ga ik te werk. Ik zoek naar voorbeelden uit de natuur die me kunnen inspireren.
Natuur inspireert
Hoe maak je zo’n materiaal? Mirzaali kijkt dat kunstje af bij de natuur. ‘Ik laat me daardoor inspireren. De natuur heeft geweldige, ingenieuze oplossingen voor allerlei problemen. Toen Leonardo Da Vinci een vliegmachine wilde bouwen, keek hij ook naar vogels en vliegen. Op een soortgelijke manier ga ik te werk. Ik zoek naar voorbeelden uit de natuur die me kunnen inspireren.”
Die vindt hij bijvoorbeeld in ons eigen lichaam. “Ik onderzoek hoe in ons lichaam de overgang van het bot naar het weefsel gaat en dat probeer ik dan na doen”, aldus Mirzaali. Hij kijkt dan naar de stijfheid, die bij het bot veel hoger is dan bij het zachte deel. “Er is een heel kleine overgang. Als we daarbinnen kijken met speciale microscopen dan is het zo ingewikkeld wat we zien. Ik wil nog beter begrijpen waar de overgang allemaal uit bestaat en hoe het werkt. Er zit in ieder geval een hiërarchie van verschillende deeltjes in. Als ik begrijp hoe het werkt, dan kan ik het nabouwen.”
De wetenschapper onderzoekt daarom piepkleine deeltjes. “Ik kijk echt op celniveau naar de krachten en de structuren. Als je dit op industriële schaal wil maken heb je overigens wel een probleem, want wij kunnen alles niet zo klein maken als de natuur het doet.”
Krachten op nanoschaal
Voor zijn onderzoek werkt Mirzaali samen met veel collega’s met andere achtergronden. Zo gebruikt hij inzichten van wetenschappers die naar het allerkleinste kijken, op nano-niveau. “Dan heb je het over zogeheten micro-fabricatie van kleine deeltjes. We proberen met behulp van kunstmatige intelligentie na te gaan hoe bepaalde overgangen van hard naar zacht zijn ontworpen door de natuur, waarom ze werken en welke verschillende types er zijn. Dit soort samenwerkingen brengen altijd nieuwe inzichten. Bijvoorbeeld dat de onderlinge verhoudingen van de deeltjes een belangrijke rol spelen, dat sommige ontwerpen ervoor zorgen dat juist bepaalde cellen extra hard groeien en hoe individuele cellen de vorming van het materiaal beïnvloeden. Door op nanoschaal te kijken naar welke krachten er spelen kunnen wij betere modellen maken, die we gebruiken om nieuwe materialen te ontwikkelen.”
Het spreekt Mirzaali het meest aan dat hij met zijn onderzoek een bijdrage levert aan de maatschappij. “Als we erin slagen om een nieuw materiaal te maken, dan hebben veel mensen daar profijt van. Het is nog voor veel verschillende medische toepassingen bruikbaar, omdat je in het lichaam veel van dit soort overgangen hebt. Denk aan mensen met osteoarthritis. Dan heb je problemen met de botten en het weefsel. Naar schatting krijgen zo’n dertig tot vijftig procent van de zestig plussers hier last van.”
Als we erin slagen om een nieuw materiaal te maken, dan hebben veel mensen daar profijt van. Het is nog voor veel verschillende medische toepassingen bruikbaar, omdat je in het lichaam veel van dit soort overgangen hebt. Denk aan mensen met osteoarthritis. Dan heb je problemen met de botten en het weefsel. Naar schatting krijgen zo’n dertig tot vijftig procent van de zestig plussers hier last van.
Anderen helpen is een belangrijke motivatie, zegt de wetenschapper. Als kind wilde hij altijd al dokter worden om die reden. “Uiteindelijk ben ik een meer technische kant opgegaan. Maar nog steeds wil ik door naar de natuur te kijken andere helpen met technische oplossingen. De komende jaren hoop ik dat we nog een stap verder gaan met ons onderzoek. Door naar meerdere organen, zoals het hart en de nieren, tegelijk te kijken. Nu nog ligt de focus vaak op een onderdeel. Maar in het lichaam hangt alles met elkaar samen. In ons werk moeten we daar ook goed naar kijken. Dus als we iets doen met een orgaan of een knie vervangen door een implantaat, dan moet je verder kijken en rekening houden met hoe alles met elkaar verbonden is. Dat is ingewikkeld, maar ook heel interessant. We zijn nog lang niet uitgeleerd.”
