“Kijk dit zijn wat van mijn mislukte exemplaren”, zegt Herber, en laat een bekertje zien met ijsstokjes, met daarop de sensoren geplakt. Ze lijken wel wat op chocoladehagelslagkorrels. “Vaak kwam ik er dan na anderhalve dag werken in twee minuten achter dat hij het weer niet deed”, zegt Herber meesmuilend.

Toch hoor je hem ook weer niet al te veel klagen over alle geploeter. “Ik ben iemand die graag zelf iets maakt, iets ontwikkelt”, zegt hij. Het doel van zijn werk was het meten van koolstofdioxide in de maag van patiënten, als gevoelige indicator van maagdarm- ischemie. Dat is een zuurstoftekort dat optreedt als de doorbloeding niet genoeg is om de maag of darmen van zuurstof te voorzien. Herber: “In de cellen krijg je dan anaërobe verbranding, en dat geeft koolstofdioxide, die ook in de maag terechtkomt.” De sensor is bedoeld om die koolstofdioxide op te sporen.

Bewerkelijk

Ischemie van het maagdarmkanaal treedt tijdelijk ook wel op bij sporters die zwaar gegeten hebben en daarna diep gaan tot overgevens toe. Maar het symptoom wordt in toenemende mate erkend als gevaar voor ernstig verzwakte patiënten met doorbloedingsproblemen, of een afklemming van bloedvaten, bij wie het bloed niet genoeg zuurstof aan de spijsverteringsorganen kan leveren. “In ernstige gevallen kunnen maag of stukken van de darmen afsterven, met dodelijk gevolg”, hoorde Herber van medici in het Medisch Spectrum, het grote ziekenhuis in Enschede waarmee hij samenwerkte.

“Artsen schreeuwen hierom”, weet Herber. Dé methode om koolstofdioxide in de maag te meten is nu nog de ballonkatheter, een slang die door de neus en slokdarm de maag ingeschoven wordt, met aan het uiteinde een uitklapbaar ballonnetje dat ter plekke een hap lucht op kan vangen. Buiten de maag wordt daarin het koolstofdioxidegehalte bepaald met een infraroodspectrometer. De techniek is voor de patiënt vrij lastig, en geeft geen continue meting. “Het werkt wel, maar is omslachtig, en bovendien is de producent gestopt met de productie van de katheters”, zegt Herber.

Miniatuurkatheter

Het alternatief waar hij aan werkte was een idee van zijn promotor: de koolstofdioxide diffundeert door het bovenste, halfdoorlatende membraan van de sensor, waar het in een natriumbicarbonaatoplossing terecht komt. Die wordt zuurder als hij in aanraking komt met koolstofdioxide, en die stijgende zuurgraad heeft weer effect op de laag daaronder. Dat is een hydrogel, een polymeer met een hoog watergehalte. De door Herber gebruikte versie zet uit onder zure omstandigheden. Op zijn beurt heeft die uitzetting weer zijn effect op een drukmeter. Dat is een eenvoudige verdunning in de onderlaag van silicium, hetzelfde dunne materiaal waarvan computerchips gemaakt worden.

“Het is een standaarddruksensor”, legt Herber uit. Bij druk buigt de verdunning door als een brug die belast wordt, en die oprekking wordt weer gemeten door krachtgevoelige rekstrookjes, die een elektrisch signaal opleveren. Via een snoertje in de katheter gaat het signaal naar een doosje vol elektronica, dat het signaal vertaalt naar een CO₂-gehalte.

“Het lijkt simpel, maar aan het begin was het de vraag of dit allemaal zou werken”, vertelt Herber. Een grote versie van de sensor deed het zonder mankeren. Daarna was de weg vrij om de sensor te miniaturiseren, zodat hij in een millimeterdikke katheterdraad paste.

Herber werkte met kant en klare druksensoren, waarop hij een tweede uitgeëtste siliciumlaag lijmde, met ruimte voor de andere componenten. “Om de boel vast te klemmen heb ik dit bedacht”, laat de onderzoeker zien: een plankje met daarop twee dunne draadjes, waarop de sensor vastgeklemd kan worden. “Om lijm aan te brengen doopte ik een heel dunne koperdraad in een druppel. Dat was net genoeg.”

In het zoeken van de juiste componenten, afmetingen en andere parameters ging veel denk- en rekenwerk zitten, en nog honderden verschillende versies van de sensor. En dan waren er ook nog testen van de katheter in realistische omstandigheden.

Kokhalzen

“De medici met wie ik samenwerkte waren de eerste proefpersonen”, vertelt Herber, die zelf achter de laptop moest zitten en zo deze twijfelachtige eer misliep. “Eén van de twee had er erg veel last van, moest vaak kokhalzen. Maar ja: alles voor de wetenschap”, grijnst Herber.

De laatste sensoren werkten naar behoren en leken veelbelovend, ook al omdat ze weinig ‘drift’ vertoonden, het verlopen van de instelling met de tijd. Voor de gevonden sterke temperatuurafhankelijkheid kan gecompenseerd worden door ook een temperatuursensor bij te voegen, en het gedrag van de sensor bij verschillende temperaturen in kaart te brengen, legt Herber uit.

Koelkast

Toch zijn er voorlopig geen plannen om de sensor in massaproductie te nemen. “Het bedrijf waarmee we het onderzoek hebben gedaan is net overgenomen, en er is me verteld dat het onderzoek ‘in de koelkast’ staat”, zegt Herber, “wel jammer vind ik dat. Ik had ook graag gezien wat ze hadden bedacht en veranderd om tot een productiemodel te komen.” Toch heeft Herber geen spijt van het project, inclusief alle geploeter. “Het was volhouden, maar dat ligt me wel. En het was een veelzijdig onderwerp, met microsysteemtechnologie, natuurkunde, scheikunde en medisch onderzoek gecombineerd. Ik heb enorm veel geleerd. Eigenlijk veel meer dan tijdens mijn studie.”

De artikelen in de brochure Technologisch Toptalent 2006 werden geschreven door wetenschapsjournalist Bruno van Wayenburg.