3D-breien voor een kunsthart: Charlotte won de Saxion Talent Award voor haar masterscriptie

Studeren in het buitenland. Het was al langer een wens van de Duitse Charlotte Wohlmeiner. Tijdens haar bacheloropleiding Textile Technology and Textile Management aan Reutlingen University, bij Stuttgart, had ze het plan om een semester bij een andere hogeschool over de grens te volgen. De coronapandemie gooide roet in het eten waarna Charlotte, inmiddels met haar diploma op zak, opnieuw keek naar internationale studiemogelijkheden. Die vond ze, in de vorm van de master Innovative Textile Development bij Saxion. Dus verhuisde Charlotte twee jaar geleden naar Enschede en ging ze van start. “Deze master sloot aan bij mijn wens om dieper in de wereld van textiel te duiken en tegelijkertijd nog meer te leren over innovatieve en duurzame toepassingen van textiel,” vertelt Charlotte.

Holland Hybrid Heart

Het eerste jaar van haar master stond in het teken van het volgen van lessen, groepswerk en projecten. Daarna mocht Charlotte beginnen aan haar onderzoek. “Het Saxion-lectoraat Sustainable and Functional Textiles had een opdracht die me enorm aansprak, als onderdeel van het grote en langlopende onderzoek met het Holland Hybrid Heart-consortium waarvan het lectoraat deel uitmaakt. Bij de ontwikkeling van een kunsthart wilde men ook dat er nader onderzoek werd gedaan naar textiele toepassingen. Ik was direct geïnteresseerd. Op de eerste plaats vond ik het indrukwekkend om een bijdrage te kunnen leveren aan zo’n belangrijk project, waarbij mensen met hartfalen geholpen worden.”

Soft robotics en 3D-breien

Charlottes onderzoek spitste zich toe op het combineren van soft robotics en 3D-breitechnieken om een naadloos object ‘uit-één-stuk’ te maken dat onderdeel wordt van een kunsthart. Al tijdens haar bachelor wilde ze dieper in de wereld van breitechnieken duiken. Met het volgen de master kwam deze kans er, door onderzoek te doen naar een zeer innovatieve toepassing die uiteindelijk bij kan dragen aan het ontwikkelen van een zo goed mogelijk functionerend kunsthart. “Er was al een prototype, maar het lectoraat was geïnteresseerd in het gebruik van nieuwe materialen die mogelijk een duurzamer karakter zouden hebben. Textiele toepassingen konden daarvoor geschikt zijn. Ook kwam 3D-breien ter sprake, waarbij je de mogelijkheid hebt om in één keer, met één garen, een heel object uit de machine te laten komen. Groot voordeel: je hebt geen verbindingen tussen de verschillende onderdelen. Doorgaans zitten daar de zwakke punten.”

Kunsthart

Even uitzoomen. Een kunsthart. Hoe staat het met die ontwikkelingen? Want ook daarin moest Charlotte zich verdiepen, ter voorbereiding op haar onderzoek. “Als mensen ernstig hartfalen hebben, is een harttransplantatie meestal nog de beste optie om de kwaliteit en de lengte van hun leven positief te beïnvloeden. Maar er is een tekort aan donoren, dus komen er ook steeds meer toepassingen die het hart deels of geheel ondersteunen. Zowel in het hart, als extern. Het Holland Hybrid Heart-onderzoek is erop gericht om die toepassingen te verbeteren, onder andere door het gebruik van zachte materialen, die meer passen bij het lichaam.”

Buigzame materialen

Uitdagingen genoeg, onder andere op het gebied van techniek, stabiliteit en het risico op infecties of afstoting, legt Charlotte uit. “Bij een extern ondersteunend apparaatje, is er altijd een verbindingslijn met het lichaam. Dat kan zorgen voor een vergroot risico op bloedingen en infecties. Daarom onderzoekt men nu een bio-compatible hybrid heart. En hybride wil zeggen dat het gaat om een kunsthart dat aangedreven wordt door soft robotics, flexibele, buigzame materialen, met bijvoorbeeld dezelfde eigenschappen als een spier. Doel is om op een meer natuurlijke manier een hartslag en bloedsomloop te creëren. Binnenin het lichaam, dus zonder verbinding met een extern hulpmiddel. Het is er nog niet, alleen als prototype. En daar stapte ik dus in, met mijn onderzoek naar het gebruik van naadloos gebreid 3D textiel.”

Naadloos breien

Na uitgebreid literatuuronderzoek en gesprekken met onderzoekers uit de medische en robotica-wereld maakte Charlotte aanvankelijk enkele ontwerpen die ze met specialisten besprak. Ze koos voor polyester, vanwege de toepassing in andere medische textielsoorten. Andere textielsoorten, die medisch zijn toegestaan, waren weliswaar geschikter, maar in deze proof of concept-fase te kostbaar en daardoor nog niet relevant om in te zetten. “Het ging echt om een proof of concept: is het überhaupt mogelijk om een hart, of een onderdeel daarvan met het 3D-breien van textiel naadloos vorm te geven? Mijn prototype zou niet geïmplanteerd kunnen worden, maar je kunt het zien als een elementaire voorstudie. Textiel heeft bijvoorbeeld duurzaamheidsvoordelen, vergeleken met een het gebruik van siliconen. Het is sterker en gaat daardoor langer mee. Ook heb ik gekeken naar de pneumatische eigenschappen van het textiel, waarbij je lucht gebruikt om beweging te creëren. Omdat het textiel niet luchtdicht is, heb ik een extra ballon met een omhulsel moeten gebruiken. Die zorgt ervoor dat onderdelen in beweging komen. Idealiter zou het textiel luchtdicht moeten zijn, waardoor zo’n ballon overbodig is. Maar dat is complex en vergt extra onderzoek in de toekomst.”

Vakgebieden combineren

Het hart is een uiterst complex orgaan. Natuurlijk wist Charlotte dat al, maar ze werd zich er extra van bewust door haar literatuurstudie en gesprekken met medici en specialisten op het gebied van soft robotics, vertelt ze. “Ons hart pompt in slagen, maar een aantal kunstharten werkt juist met een circulair systeem. Daarbij is geen sprake van een pompfunctie maar van het constant laten roteren van het bloed. Ik had een diep begrip van al dit soort varianten nodig, voordat ik met mijn prototype aan de slag kon. Net als van de manier waarop soft robotics-specialisten de connectie tussen hun vakgebied en het mijne, dat van technisch textiel, zien. Na het maken en evalueren van verschillende eigen design concepts heb ik een gedeelte van een bestaand ontwerp uit het Holland Hybrid Project omgezet in een naadloos 3D-gebreid textiel, met een vernieuwde structuur. Daarvoor gebruikte ik een vlakbed breimachine. Ook dat was een uitdaging, omdat ik me moest verdiepen in het programmeren van deze machine.”

Grenzen verleggen

Hoe werden Charlottes prototype en begeleidende masterscriptie ontvangen? “Men vond de textiele constructie erg interessant, omdat er nog niet veel kennis op dat specifieke terrein was. Het heeft de betrokken onderzoekers geïnspireerd om na te denken over wat er nog meer mogelijk is. Om hun grenzen in materiaalgebruik te verleggen.” Juist dat grenzen verleggen was zeker ook van toepassing op Charlotte zelf, zo blikt ze terug. Ze moest haar eigen vakgebied combineren met medische en robotische kennis en tegelijkertijd van alles leren over pneumatische aandrijftechnieken. Ook het programmeren van de breimachine was nieuw voor haar. “Het was fantastisch om in een interdisciplinair team, dat zó gedreven was, mijn eigen grenzen te verleggen. Iedereen had een andere achtergrond, maar uiteindelijk hadden we samen hetzelfde doel. Mijn onderzoek wordt voortgezet door een volgende student, die mijn proof of concept verder uitdiept. Het was mooi dat ik een schakel kon zijn, in een lange onderzoekslijn.”

Levens redden

En hoe was het, tenslotte, om vorige week op het podium haar Saxion Talent Award in ontvangst te nemen? “Ik was verrast, had echt niet verwacht de eerste prijs te winnen. Eigenlijk was ik al erg vereerd met de nominatie en de uitnodiging om bij de opening van het hogeschooljaar aanwezig te mogen zijn. Uiteindelijk werd het alleen maar mooier. Ik hoop dat mijn onderzoek anderen kan inspireren om na te denken over textiele toepassingen. Textiel is zoveel meer dan de kleding die we dragen. Het heeft ontzettend veel toepassingsgebieden, waaronder het medische. Ik denk dat er nog veel meer komt. Meer dan we ons nu realiseren. Zelf vond ik het geweldig dat ik de kans heb gekregen om te laten zien wat er mogelijk is. Dit soort toepassingen kunnen uiteindelijk levens redden. Voor mij was deze masterscriptie een enorme stap buiten mijn comfortzone. Ik had niet kunnen bedenken dat ik daar zelfs nog een prijs mee zou winnen. Los van het hogere onderzoeksdoel vond ik dat een mooie beloning. Totaal onverwacht. Maar soms moet je het maar gewoon proberen.”

Fotografie prijswinnaars: Eric Brinkhorst
Overige fotografie: eigen beelden Charlotte