De Universiteit Twente is een kraamkamer van nieuwe technologie en materialen. Het MESA+ instituut voor nanotechnologie, in de volksmond het Nanolab, speelt daarbij een belangrijke rol. Ook als het gaat om de ontwikkeling en productie van fotonische chips. In tegenstelling tot de traditionele siliciumchips, die elektriciteit gebruiken om informatie te verwerken, werken fotonische chips op basis van licht om taken uit te voeren. De voordelen daarvan zijn groot: fotonische chips zijn duurzamer, verbruiken minder energie en kunnen sneller én veel meer data verwerken in tal van toepassingen. Waaronder als biosensor, die bijvoorbeeld bloedsuiker of stoffen in bloed of urine meet. Dat kan ook al met een zogeheten lab-on-a-chip: een apparaat dat verschillende laboratoriumfuncties op een enkele chip integreert. Het formaat varieert van enkele millimeters tot een paar vierkante centimeter. Met zo’n laboratorium op een chip kunnen bloedwaardes worden gemeten, virussen worden opgespoord, lichaamsfuncties worden onderzocht etc.

De fotonische chip kan dat in principe ook maar biedt meer, vertelt prof. dr. ing. Guus Rijnders, hoogleraar NanoElectronic Materials bij de vakgroep Anorganische Materiaalkunde aan de UT. Rijnders was ook wetenschappelijk directeur van het MESA+ Institute for Nanotechnology, een functie die hij afgelopen jaar heeft overgedragen. “De fotonische siliciumchip is nu sterk in opkomst omdat het ten opzichte van elektronische chips werkt op basis van licht. Dat is belangrijk want dankzij dat licht kun je op hoge snelheid meer data versturen. Min of meer vergelijkbaar met glasvezel, alleen dan op nano-niveau. Bovendien kun je ook meerdere soorten licht toepassen, dat de capaciteit verder vergroot.”

‍

Psychologisch aspect

Om het simpel te houden: het bijzondere is dat een fotonica chip een restveld heeft dat licht dat langs de chip stroomt kan herkennen. Daarmee ontstaat een biosensor, aldus Rijnders: “Er zijn al biosensoren: bijvoorbeeld de glucosemeter die onderhuids of op de bovenarm wordt geplaatst. Deze meet constant het bloedsuikerniveau en wordt met een mobieltje uitgelezen. Je kunt bedenken dat je een fotonica chip ook als biosensor gebruikt. De chip is dan ingesteld om vroegtijdig een bepaalde stof of componenten te meten. Dat kan doordat het restveld in staat is om zelfs kleine veranderingen van het licht te signaleren en door te geven.”

De ontwikkelingen om die technologie toe te passen gaat dankzij fotonica snel, vervolgt Rijnders: “Met een lab-on-a-chip kun je een analyse maken van bloed of urine of andere stoffen. Maar uiteindelijk ben je dan meestal al te laat, de klachten waren er al en dat was de reden om naar de dokter te gaan. Wat je wilt is een ziekte of kwaal ontdekken al voordat die zich openbaart. Zodat je veel eerder met een behandeling, liefst een gepersonaliseerde behandeling, kunt beginnen.”

Rijnders realiseert zich dat er een psychologisch aspect is: “We willen gezond ouder worden, maar de grote vraag is: wil je weten of je gezond bent? Kijk, we kunnen nu een sensor in het toilet plaatsen die iedere morgen jouw urine controleert op blaaskanker. Wil je dat weten of niet? Ik vermoed dat veel mensen daar nog niet klaar voor zijn, noem het struisvogelgedrag. Maar ik ben ervan overtuigd dat komende generaties dat wel willen: in, op en om de huid sensoren die meten of er veranderingen zijn in je DNA of metabolisme en wat de oorzaak is. En belangrijk: al op voorhand kunnen ingrijpen of behandelen.” En zo voegt hij eraan toe: “Kijk, we hebben al apparaatjes die veel kunnen meten: smart watches, apps op je mobieltje en iedereen heeft al een stappenteller.”

‍

Grote uitdaging

Er zijn overigens nog enkele lastige hindernissen te nemen. De kostprijs van een fotonica chip bijvoorbeeld. Elektronische chips zijn door de grote vraag steeds goedkoper geworden. Voor fotonische chips is zeker een grote markt, maar dat wil niet zeggen dat ze nu al in enorme hoeveelheden geproduceerd kunnen worden. Ondanks dat ook in Enschede flink wordt geïnvesteerd in productie. Maar als het om fotonica als biosensor gaat, is er een grotere uitdaging, signaleert Guus Rijnders: “Namelijk de connectie tussen de receptor en de ziekte. Een fotonische chip kan als receptor een bepaalde ziekte herkennen, zoals bijvoorbeeld een te hoog cholesterol, een afwijking in het bloed, misschien voortijdig zien dat er signalen zijn die wijzen op een infarct of een longontsteking. Daarvoor heb je biomarkers, die individueel zijn afgestemd op een ziektebeeld. Je praat dan over disciplines als moleculaire biologie, de medische tak.”

Een eerste doel kan zijn dat voor mensen die een grotere kans hebben op een infarct of prostaatproblemen een specifieke biomarker wordt ontwikkeld voor de chip. Maar de heilige graal is uiteindelijk een fotonica chip die alles signaleert. Een chip die onderhuids wordt geplaatst en vervolgens automatisch signaleert en via een app op het mobieltje doorgeeft waar zich een afwijking voordoet.

Zo ver is het nog lang niet besluit de UT-hoogleraar: “Dat vraagt om nog veel research. En in Enschede gaan we daarin zeker een rol spelen, daar ben ik van overtuigd. Ook internationaal door met andere wetenschappers op multidisciplinair terrein gericht onderzoek te organiseren en met elkaar te communiceren.”