Engineers tackle the problems of real flesh and blood.(News)(Statistical
        Data Included)

        Author/s: Nigel Glass
        Issue: Nov 20, 1999

        With their first conference, held in Vienna, Austria (Nov 4-7), European members
        of the International Federation for Medical and Biological Engineering took an
        important step towards founding a European society for medical engineering
        sciences.

        The development of cybernetic prostheses is a high-profile concern of medical and
        biological engineers. Yet, at present, work on them is almost entirely limited to pure
        and mainly esoteric research, with little sign of clinical advance. Kunihiko Mabuchi
        (Laboratory of Advanced Biomedical Engineering, Tokyo, Japan), for example,
        described the difficulties of conveying the sense of touch. His team has succeeded
        only in transmitting the "sensation of a pen being pressed" against the forearm from
        a fingertip sensor. "We can stimulate only one channel, but in clinical use we will
        have to stimulate more than 10 000 sensory fibres. The main problem is the
        development of a multichannel electrode", he said.

        However, Wim Rutten (University of Twente, Netherlands) thought that by some
        judicious rewiring it might be possible to circumvent the complexity of the nervous
        system. He gave the example of cochlear implants. "There are ten thousand fibres
        going from the cochlea to the brain", he explained, "but it seems that with only 16
        electrodes, the brain can learn a new language".

        Perhaps the most natural bridge between medicine and engineering was described
        by maxillofacial surgeon Wolfgang Puelacher (Leopold Franzens University,
        Innsbruck, Austria). In collaboration with researchers in the USA, Puelacher has
        produced a model of a human septal cartilage in which bovine chondrocytes grown
        on a polymer mesh scaffold in vitro have been transplanted into mice. Here, a
        complete vital tissue developed in 3 months. Puelacher's team has now repeated
        the in-vitro part of this experiment with human cells and is waiting for the Austrian
        ethics committee to give the go-ahead for in-vivo experiments with human
        cartilage constructs. 

        COPYRIGHT 1999 The Lancet Ltd.

        COPYRIGHT 2000 Gale Group
.............................................................................
De Standaard 16 juni 1997 

Elektroden helpen verlamden weer op de been

Neurotechnologie verbindt zenuw met elektronica

Van onze medewerker 

ENSCHEDE - Bij de bouw van een 'bionische mens' is de verbinding tussen elektronische systemen en het
menselijke lichaam essentieel. Aan de Universiteit Twente ontwerpt men daarvoor speciale elektroden. Niet met het
doel van de mens een machine te maken, maar om personen met een handicap - zoals een gebroken rug - meer
mens te maken. Nu nog bestaan de elektroden uit minuscule naaldjes, gefabriceerd met behulp van
microtechnologie. In de toekomst verzorgen elektroden met zenuwcellen wellicht de aansluiting. 

ZONDER dat we er bij na hoeven te denken, zorgen onze hersenen ervoor dat we kunnen lopen. Ongemerkt
transporteren zenuwbanen hun elektrische signalen naar de spieren van het bewegingsapparaat. Daarbij kan echter
iets goed mis gaan. Bij een dwarslaesie bijvoorbeeld, blijven de spieren verstoken van signalen vanwege een breuk
in het ruggenmerg. Een ernstige verlamming is het gevolg, terwijl de zenuwen en spieren in arm of been nog geheel
intact zijn. Een van de belangrijkste uitdagingen in het biomedisch onderzoek is hiervoor een oplossing te vinden. 
Een techniek die wordt aangeduid als functionele elektrostimulatie (Fes) biedt goede mogelijkheden om mensen die
te maken hebben met zo'n verstoorde prikkelgeleiding weer op de been te helpen. Bij Fes gaat het erom de
spierzenuwen van buitenaf zodanig te stimuleren dat de spieren weer tot actie worden gemaand. Min of meer
standaard is de uitvoering met elektroden die op de huid worden geplakt. Daarmee is het zeker mogelijk mensen met
een dwarslaesie weer op de been te helpen. Maar echt lopen, dat is nog een ander verhaal. 
Huidelektroden zijn tamelijk grove instrumenten. Ze sturen een fors elektrisch signaal naar hele zenuwen tegelijk.
Daarmee worden hele spieren of grote delen daarvan tegelijk aangestuurd. Het gevolg is een tamelijk krampachtige
en nogal vermoeiende spierbeweging. Voor een natuurlijker loopbeweging is een veel verfijnder stimulatie vereist.
Bij voorkeur dezelfde die onze hersenen hanteren. Daarbij worden individuele spiervezels aangestuurd via
afzonderlijke zenuwvezels. Wie dat wil nadoen, zal dus met een elektrode de zenuw in moeten. 
Dergelijke neurale elektrostimulatie is niet gemakkelijk te realiseren. De individuele zenuwvezels, die met honderden
tegelijk in een zenuw aanwezig zijn, hebben een doorsnede van slechts duizendsten van een millimeter. Bovendien
zijn ze alleen nauwkeurig aan te sturen in de directe omgeving van de zogenaamde 'knopen van Ranvier', waar hun
isolerende myelineschede afwezig is. Die knopen zijn op regelmatige afstanden van elkaar over de vezel verspreid. 

Spijkerbed 

Aan de universiteit van Twente zint dr. Wim Rutten van de vakgroep bio-informatica in samenwerking met het
Biomedisch Technologisch Instituut (BMTI) en het Micro-Engineering and Sensors & Actuators instituut (MESA)
op manieren om dergelijke intraneurale stimulatie toch voor elkaar te krijgen. In het verleden toonde hij al met
eenvoudige elektroden aan dat het een realiseerbaar concept was. Nu wordt het langzamerhand tijd voor de echte
proef op de som. Aan het eind van dit jaar hopen Rutten en zijn collega's-ingenieurs Jos Smit en Jeroen Bielen een
wel heel bijzondere elektrode gereed te hebben. 
Met maar liefst 128 naaldjes is het een soort implanteerbaar spijkerbedje dat in de zenuw prikt. De naaldjes, 10 tot 20
duizendste millimeter in doorsnede en twee tot zes tiende millimeter hoog, kunnen dan afzonderlijke zenuwvezels
bereiken. Het Twentse MESA-instituut fabriceert de elektrode met behulp van microtechnologie (afgeleid van
technieken voor de productie van elektronische chips). 
Onder het spijkerbedje zal een chip met besturingselektronica worden gemonteerd. Die zorgt ervoor dat ieder
afzonderlijk naaldje zijn eigen elektrische signaaltje kan doorgeven. Spijkerbedje en chip zijn al klaar, het gaat er
alleen nog om ze via een speciale 'flip chip' soldeertechniek aan elkaar te bevestigen. 
Dat kon nog wel eens moeilijk blijken - de naaldjes behoeven bescherming tegen de tamelijke ruwe behandeling -
maar het drietal is tamelijk optimistisch over de realiseerbaarheid. 
Alleen al de integratie van de spijkerbed-microstructuur met de redelijk complexe elektronica - nog zelden
vertoond in de microtechnologie - maakt de elektrode tot een bijzonder instrument. Maar ook het driedimensionale
karakter van het spijkerbed (de ongelijke lengte van de naaldjes) heeft voor veel hoofdbrekens gezorgd. Rutten is
best trots op het resultaat. 

Kuitspier 

Nog belangrijker vindt hij echter de te verwachten prestaties bij neurale elektrostimulatie. Experimenten van Smit
met een eenvoudig spijkerbedje met slechts 24 even lange naaldjes hebben al laten zien dat het inderdaad mogelijk is
selectief zenuwvezels aan te sturen. Bij een zestal ratten werd daarvoor een kuitspier blootgelegd en van een
krachtmeter voorzien. De elektrode werd in de bijbehorende zenuw geprikt - die heel behoorlijk overeenkomt met
een menselijke zenuw - en vervolgens was de relatie tussen toegevoerde stroom en spierkracht voor ieder naaldje
vast te leggen. 
De experimenten toonden aan dat met de 24 naaldjes gemiddeld zo'n tien afzonderlijke spiereenheden te activeren
waren. Gerelateerd aan de 69 afzonderlijke zenuwvezels voor deze ene spier (de Musculus extensor digitorum
longum, een teenstrekker) lijkt dat niet veel. Maar in relatie tot de 24 elektrode-elementen was het een boven
verwachting hoge score. 
Het belooft veel voor het 128-naalds spijkerbed met verschillende naaldlengtes. Uit kansmodellen blijkt dat met die
elektrode zo'n veertig afzonderlijke spiereenheden aan te sturen moeten zijn. Rutten kan maar nauwelijks wachten
tot het nieuwe spijkerbedje in een rat wordt getest. Als het werkt - en daar twijfelt hij eigenlijk niet aan - dan
zouden ook geavanceerde besturingsmechanismen kunnen worden getest, die in de spier een zo natuurlijk mogelijke
krachtopbouw kunnen realiseren. 

Zenuwvezels 

Rutten is ondertussen al weer op zoek naar nieuwe, nog betere elektroden. Hij ontving er van de Twentse universiteit
maar liefst een miljoen gulden subsidie voor, zo'n achttien miljoen frank. Aan het begin van dit jaar honoreerde de
Europese Unie een onderzoeksvoorstel met nog eens 1,4 miljoen gulden (25 miljoen frank, te delen met drie partners
in Italik, Engeland en Duitsland). 
,,De ultieme elektrode zal een-op-een contact moeten leggen met de zenuwvezels'', stelt Rutten. ,,Pas dan zou je
eraan kunnen denken natuurlijke bewegingen te genereren. Met de huidige stand van de microtechnologie is dat
gewoon niet haalbaar.'' Om de impasse te doorbreken doet hij een even gedurfd als verfrissend voorstel: ,,Laat de
technologie voor wat zij is en probeer of je de zenuw zo ver kunt krijgen dat hij zich aan de elektrode aanpast.'' 
Daarmee begeeft hij zich op het gebied van de weefseltechnologie. Daarbij gaat het erom menselijk weefsel volgens
een vooropgezet plan te laten groeien. Dit is bijvoorbeeld van belang voor de aansluiting tussen botweefsel en
implantaten. Maar ook wordt onderzocht of het mogelijk is verbroken zenuwen op die wijze te herstellen. 
Weefseltechnologie is een wetenschapsgebied waar technologen zich nog maar nauwelijks aan wagen. Rutten
verwacht er echter veel van. Hij heeft samenwerking gezocht met wetenschappers van de faculteit Geneeskunde
van de Rijksuniversiteit Leiden en het Nederlands Herseninstituut in Amsterdam. ,,We zijn nu bezig een cultured
probe te realiseren.'' Dat is een multi-elektrode waarop men in het laboratorium gekweekt zenuwweefsel probeert
te laten groeien om de aansluiting tussen elektronica en zenuwcellen te bewerkstelligen. ,,De probe wordt vervolgens
geomplanteerd, waarna het gekweekte weefsel met de echte spierzenuw zal vergroeien.'' 
Daarmee schetst Rutten in een paar zinnen een ontwikkelingstraject van zeker tien jaar. Voorlopig blijkt het al
moeilijk genoeg het zenuwweefsel zover te krijgen dat het bij voorkeur op de contactpunten van de elektrode gaat
uitgroeien. De afgelopen maanden is gebleken dat het mogelijk is om via chemische modificatie van het oppervlak de
zenuwcellen daar min of meer toe te dwingen. Maar Rutten is niet tevreden met de resultaten. ,,Het moet beter
kunnen. We gaan straks ook proberen of je bij de elektrodepunten specifieke eiwitfragmenten kunt aanbrengen die
op een meer biologische manier de groei van de cellen stimuleren.'' 
En er zijn ook andere mogelijkheden. Misschien lukt het de zenuwen te geleiden door kleine groefjes aan te brengen,
en wellicht kunnen elektrische velden helpen. Rutten denkt ook aan sporen van biodegradeerbare polymeerbolletjes,
gevuld met zogenaamde neurale semaforen, een soort 'lokstoffen' voor zenuwgroei. ,,Er zijn mogelijkheden te over,
maar er is nog niets uitgeprobeerd.'' 
Harm IKINK