Nytt mikroinstrument: Kontrollerer medisinflyten

Nå har forskere ved Mikro- og Nanoteknologilaboratoriet laget en strømningsmåler med komponenter tynnere enn hårstrå. Den kontrollerer at pasienter får tilført rett mengde medisin. Sensoren er unik i verdenssammenheng.

INDUSTRIEN TENNER: Den knøttlille oppfinnelsen har allerede vakt så stor oppmerksomhet at forsker Liv Furuberg har fått forretningshenvendelser fra tre internasjonale, medisinske produsenter. Foto: Ola Sæther.

Mye spennende forskning er i gang etter at det nye Mikro- og Nanoteknologilaboratoriet i Gaustadbekkdalen ble åpnet i vår. I laboratoriet, som huser forskningsmiljøer fra Universitetet i Oslo og SINTEF, kan forskerne konstruere ørsmå instrumenter som knapt kan sees med det blotte øye.

En av de nye oppfinnelsene er et unikt mikroteknologisk kontrollapparat som kan måle flyten av medisiner. De aktive komponentene i sensoren er bare noen tusendels millimeter tykke. Ingen andre i verden har klart å lage et så lite apparat som både kan måle væskemengder godt under en milliondels liter og som attpå til kan masseproduseres.

Oppfinnelsen betyr langt tryggere dosering for pasienter som er avhengig av kontinuerlig medisintilførsel fra medisinpumpe, slik som pasienter med cerebral parese. Når medisinpumper blir operert inn under huden, kan små mengder med muskelavslappende medikamenter sprøytes inn ved ryggmargen for å kontrollere spasmene. Kreftpasienter kan bruke en bærbar morfinpumpe til smertelindring, mens sukkersykepasienter kan ha glede av medisinpumpe til døgnkontinuerlig insulindosering.

Problemet er at dagens medisinpumper ikke gir pasienten noen som helst tilbakemelding om pumpen løper løpsk, om medisinen tar slutt eller om den tilknyttede slangen tettes igjen.

Slår alarm

Den nye oppfinnelsen kan derfor brukes som en sikkerhetssjekk og sørge for kontinuerlig måling og sjekking av medisinstrømmen og slå alarm hvis pumpesystemet ikke virker. Sensoren har også muligheten til å overvåke hvor mye medisin pasienten har fått den siste timen eller det siste døgnet.

Den første prototypen på strømningsmåleren virker best når væskestrømmen er på rundt to mikroliter i minuttet. Men forskerne sier det er lett å redesigne brikken til også å takle andre små doseringsmengder. Mens forskerne på Universitetet i Oslo og SINTEF har stått bak idé og design, overlot de fremstillingen av den første prototypen til bedriften SensoNor.

– Når SensoNor klarer å produsere noen få brikker, vet vi automatisk at brikken kan produseres i kjempevolum. Da kan det produseres millioner av brikker, forteller forsker Liv Furuberg ved Fysisk institutt på Universitetet i Oslo og SINTEF. Hun sier at samarbeidet har ført til raskere anvendelse av universitetets grunnforskning.

Internasjonal interesse

Oppfinnelsen har allerede vakt så stor oppmerksomhet at forskerne har fått forretningshenvendelser fra tre internasjonale, medisinske produsenter. Mens selve medisinpumpen koster så mye som 100 000 kroner, koster prototypen til strømningsmåleren bare 200 kroner. Ved storvolumproduksjon blir prisen enda lavere.

– Da behøver strømningsmåleren ikke koste mer enn 50 kroner. Det er ingenting, sier Liv Furuberg.

Målet deres er å lage et system som ikke bare kontrollerer medisinflyten, men som også måler at pasienten har rett medisindose i blodet. Hvis det måles for lite medisin i blodet, skal pumpen få beskjed om å sende inn mer medisin. De arbeider også med å utvikle en glukosesensor for automatisk sjekk av blodsukkernivået. Strømningsmåleren kan i tillegg brukes til et kjemisk laboratorium hvis man trenger en presis blanding av to gasser for å få den korrekte kjemiske reaksjonen.

Hightech på mikronivå

Strømningsmåleren er fullstappet av avansert mikroteknologi. Den funksjonelle delen i strømningsmåleren er framstilt i silisium og er pakket inn i en ”sandwich” av glass.

Medisinen blir ført gjennom kanaler som bare er 11 mikrometer tykke. Det vil si at kanalene bare er 11 tusendels millimeter tykke.

Væsken renner gjennom et hull i glasset og inn i trange kanaler i silisiumbrikken. Væsken renner på oversiden av den tynne membranen, deretter gjennom et hull i silisiumbrikken og til undersiden av membranen. Membranen er bare tre mikrometer tykk og brukes til å måle trykkfallet.

I klassisk fluiddynamikk beskrives sammenhengen mellom strømningshastigheten og trykkfallet i et rør.Ved hjelp av trykkfallet kan man derfor beregne strømningshastigheten i kanalen.

– Fordi det blir et trykkfall i væsken, vil trykket på oversiden av membranen være høyere enn på undersiden av membranen.

Den supertynne elastiske membranen forandrer fasong når trykket endres. Brikken har innebygd elektronikk som måler de elastiske spenningene og temperaturen.

Uten kortslutning

For første gang i historien har noen klart å lage en trykkmåler med bare én membran. Dagens strømningsmålere er større og har fordelt elektronikken på to membraner for å hindre kortslutning, noe som svekker stabiliteten og øker målestøyen.

– Vi har begravd elektronikken under et beskyttelseslag slik at man kan la væsken renne på begge sider av membranen.

For å designe den optimale strømningssensoren har forskerne kjørt en rekke simuleringer på datamaskinen.

– Vi har modellert fluidstrømningsfeltene, simulert hvordan membranen bøyer seg elastisk ved forskjellige strømningshastigheter og dimensjoner og beregnet hva som skal til for å skape et målbart elektronisk signal. Selv om strømningsmåleren er svært liten, er den ikke så liten at de klassiske reglene for fysikk måtte vike.

– Ellers måtte man ha simulert på molekylært nivå. Da ville programmeringen bli langt mer krevende.

For å sjekke at strømningsmåleren virket, konstruerte forskerne en demonstrasjonspumpe. Brikken fungerte ved første forsøk.

– Det var ganske utrolig, sier Furuberg.

Arbeidet med strømningsmåleren tok ett år. Forskerne brukte flere måneder på å tenke ut den beste funksjonen. Fra de sendte inn designtegningen til SensoNor til de fikk brikken i hende, tok det seks måneder. Så langt er Liv Furuberg strålende fornøyd.

– Det er utrolig morsomt at man ikke kan se at brikken virker som den skal. Det mest fantastiske er at vi er garantert at produksjonen går bra. Går noe feil, er det fordi vi har oversett en fysisk effekt eller at ideen er feil. Ikke fordi produksjonen har feilet.

Nå er forskerne allerede i gang med neste utviklingsfase. De arbeider med en ny strømningsmåler med integrert mikrofilter for å hindre at støvkorn sperrer kanalen. Til nå er støvkornene eliminert med et eksternt filter.

Emneord: Matematikk og naturvitenskap, Fysikk, Teknologi, Nanoteknologi Av Yngve Vogt
Publisert 1. feb. 2012 12:01
Legg til kommentar

Logg inn for å kommentere

Ikke UiO- eller Feide-bruker?
Opprett en WebID-bruker for å kommentere