De levende chip komt eraan

1075
Met de paplepel kreeg Ronald Dekker de elektrotechniek ingegoten. Niet zo gek dus dat hij het ging studeren en een baan bij Philips kreeg. Daar bedacht hij silicon on anything, elektronische circuits op allerlei ondergronden, tot aan dunne filmpjes plastic toe.

Sinds kort is hij deeltijdhoogleraar in Delft, waar hij de ruimte krijgt voor zijn nieuwste fascinatie: chips met echte hartspiercellen erop. De combinatie van stamcellen en elektronica lijkt een vreemde, maar vloeit rechtstreeks voort uit eerder onderzoek.

‘Mijn opa werkte bij het elektriciteitsbedrijf in Rotterdam en in zijn vrije tijd knutselde hij met radio-apparatuur’, vertelt Dekker opgetogen. Buiten is het druilerig en de overbevolkte ruimtes van het Delftse chipslab Dimes ademen sowieso weinig sfeer uit, maar het humeur van de kersverse hoogleraar laat zich niet stukslaan. Hij is gewoon erg blij dat hij hier mag werken – een kroon op de familiegeschiedenis, zou je haast zeggen. ‘Mijn vader heeft dat enthousiasme overgenomen en die heeft het weer op mij overgebracht. In mijn jeugd, de jaren zestig en zeventig, was elektronica nog iets bijzonders. Zolang ik me kan herinneren, ben ik met elektronica bezig.’

In Dekkers studietijd, begin jaren tachtig, waren microprocessoren je van het. Daar wilde iedere elektro-ingenieur mee aan de slag. Dekker vond zijn bestemming echter elders tijdens een excursie naar Philips’ NatLab, waar hij een computerprogramma te zien kreeg dat het gedrag van een transistor helemaal kon doorrekenen.

‘Voor mij was een transistor iets magisch’, herinnert Dekker zich. ‘Ik had er natuurlijk mee gewerkt, maar het was een hermetisch ding. En nu liet iemand zien hoe je zo’n transistor kon ontwerpen. Ik wist het meteen: dat wil ik ook.’

Na afstudeerwerk ter plekke kreeg hij een baan bij NatLab, in een kamer precies tegenover de kamer waar hij de demonstratie had gekregen die hem de halfgeleiders binnensleurde. Hij kreeg wiskundig modelleerwerk te doen, maar dat lag hem niet zo. ‘Ik ben meer een doener’, verklaart hij. ‘Gelukkig mocht ik daarna echt met chips aan de slag. Dat is toch het mooiste wat er is: iets maken op een vierkante millimeter. En dan mag je er ook nog zo’n mooi pakje bij aan, in de clean room.’

Glazen chip

Het serieuze werk – we spreken inmiddels begin jaren negentig – begon met hoogfrequente transistors voor mobiele telefonie. Gsm stond nog in de kinderschoenen, de ontwerpers bij Philips waren druk doende de beste chips ervoor te ontwerpen. En daarvoor hadden ze dan weer speciale transistors nodig.

Dekker: ‘Tot dan toe had de focus steeds gelegen op snelheid. Maar hoe sneller een chip, hoe meer energie hij verbruikt. De circuit-ontwerpers zaten echter helemaal niet te wachten op meer snelheid, ze wilden vooral het energieverbruik onder controle houden. Met traditionele technieken hebben we toen een transistor gemaakt die tien keer minder stroom verbruikte dan andere.’

Heel mooi, vonden de ontwerpers, maar ze hadden nog een probleem. Ook de bedrading op een chip vreet energie. Dat komt mede omdat er stroom weglekt naar het geleidende siliciumsubstraat waar de actieve delen van de chip op rusten. Dekker grijpt het tafelblad beet, legt er een visitekaartje op. ‘Je moet je voorstellen dat het tafelblad een wafer is. Het werkzame deel van de chip, de plek waar de circuits en bedrading zitten, zit in het kaartje. Het enige doel van het substraat is de boel tijdens het productieproces bij elkaar houden.’

Dat wil zeggen, bij een pentium-processor voert het substraat ook veel warmte af, maar bij het lage energieverbruik van mobiele chips is dat niet nodig. Dus zou je het geleidende silicium substraat eigenlijk weg willen halen. Dan is echter wel een andere ondergrond nodig, want anders valt de actieve laag uit elkaar. Zo ontstond het concept van silicon on anything. Neem een wafer, spuit er een dot lijm om, druk er aan de bovenkant een nieuwe steunlaag op en ets tenslotte het oorspronkelijke substraat weg.

De plaatjes van een chip op glas gingen indertijd de wereld over. Een chip waar je doorheen kon kijken, het was ongehoord. De technologie maakte allerlei nieuwe toepassingen mogelijk, vooral omdat je bij een voltooide chip nu gewoon aan de onderkant verder kon gaan. Je kon ook aan de onderkant kanaaltjes etsen en daar water doorheen voeren, waardoor een chip vermogens van wel 400 Watt bleek te kunnen afvoeren.

Stoeptegel

De volgende stap volgde door een fout in de fabriek van Philips in Hamburg. In een experiment deponeerden ze daar eerst een laagje polyamide op de silicium wafer voor ze hem op het glas plakten. Nu moet je een stuk glas wel goed voorbehandelen met primer voor je het op een chip drukt. Anders pakt het niet. De Hamburgers maakten daar een fout mee en dat zorgde voor een verrassing toen ze de wafer uit het etsbad visten. Daar dreef een filmpje van polyamide, met alle circuits erop.

‘De circuits bleken nog te werken ook’, glundert Dekker. ‘Je hebt helemaal geen substraat nodig. Een velletje polyamide van tien micrometer is genoeg om de circuits bij elkaar te houden.’ Hij laat een voorbeeld zien, een transparante film waarop de circuits zich duidelijk laten onderscheiden. ‘Je blijkt het te kunnen oprollen tot een kromtestraal van minder dan één millimeter.’

Omdat er een heel siliciumproces aan voorafgaat zijn deze chips vele malen duurder dan de flexibele chips die Philips ook maakt, maar die met druktechnieken direct op plastic worden aangebracht. Die zijn bedoeld voor simpele toepassingen, bijvoorbeeld ter vervanging van de barcode op verpakkingen: zo’n chip moet eigenlijk minder dan een cent kosten. Dekkers flexibele chip is vooral handig waarbij complexe elektronica flexibel beschikbaar moet zijn.

‘Dan denk je al gauw aan medische toepassingen’, vertelt hij. ‘Het menselijk lichaam is immers niet rechthoekig. Zo wordt er – niet door ons overigens – gewerkt aan implantaten voor het oog. Gevoelsmatig denk ik dat mensen liever een dunne, flexibele chip geïmplanteerd krijgen dan een keiharde silicium stoeptegel. Een andere mogelijkheid is oorimplantaten. Tegenwoordig maken ze een gaatje in het slakkenhuis van het oor om iets van 25 draadjes naar de gehoorzenuw te brengen. Voor meer is geen plek, al zou dat wenselijk zijn om een betere geluidskwaliteit te bieden. Maar als je nou zo’n chip kon inbrengen, die de signaalverwerking voor zijn rekening neemt, zou je genoeg kunnen hebben aan drie draadjes die zoveel signalen naar de gehoorzenuw brengen als nodig.’

Concreet werkt Dekker momenteel aan een katheter – een iets minder futuristische optie. High-tech katheters zijn nu al uitgerust met een sensor, die de bloeddruk meet in de ader waar ze doorgeschoven worden. Idealiter zou er ook een flowsensor moeten zijn. Die zou je kunnen maken door een sensorcircuit om de kop van het katheter aan te brengen.

‘In het geval van zo’n katheter heb je genoeg aan elektronica die je tot een cilinder kunt buigen’, gaat Dekker verder. ‘Maar liefst zou je nog meer flexibiliteit hebben. Maar om een chip om bijvoorbeeld een bolvorm te wikkelen, moet je hem niet alleen kunnen buigen, maar ook uitrekken. Daarvoor bestaan verschillende concepten. Je kunt bijvoorbeeld proberen de chip meteen op een flexibel substraat te maken. Een andere mogelijkheid is kleine stukjes star silicium te gebruiken, die onderling met veertjes verbonden zijn.’

‘Mijn eigen idee is om silicium als een soort mal te gebruiken om chipstructuren te maken die van zichzelf een soort harmonicavorm hebben. Daardoor kun je ze later opvouwen en weer uitvouwen. Dat is niet hetzelfde als uitrekken, maar het effect komt in de buurt.’

Levende chips

Ja, het ene idee buitelt over het andere heen, erkent Dekker. Stilzitten en je dan jarenlang concentreren op één idee is niet zijn stijl. Maar nu heeft hij iets bij de kop waar hij met gemak de komende twintig jaar aan zou kunnen werken, simpelweg omdat het zo ontzettend vernieuwend is – en zo fundamenteel dat er bij NatLab nog geen plaats voor is, al volgt Philips zijn verrichtingen aan de TU Delft met belangstelling.

Het begon bij het NatLab. Omdat Philips steeds meer inzet op medische systemen, lopen daar steeds meer medici en biologen rond. Daar raakte hij als vanzelfsprekend mee aan de praat en op een gegeven moment schoof iemand hem een paper van Harvard toe, dat hem misschien zou interesseren. De Amerikaanse onderzoekers hadden een klompje hartspierweefsel losgeweekt tot afzonderlijke cellen, die in een mal gestopt en op een uitrekbare ondergrond gestempeld. De cellen hechtten zich weer aaneen en begonnen te kloppen, net zoals ze in een echt hart zouden doen. Het effect was dat ze in een glaasje vloeistof gingen zwemmen.

‘Ik besefte onmiddellijk dat deze medici een proces hadden gebruikt dat vergelijkbaar is met de fabricage van chips’, vertelt Dekker enthousiast. ‘Ze hadden een rubberen ondergrond gebruikt, maar ik dacht: waarom zou je mijn chips niet als ondergrond gebruiken?’

Hij heeft het nieuwe vakgebied, op de grens van silicium en weefsel, voorlopig ‘living chips’ genoemd. Het geeft hem een missie aan de TU Delft. Een belangrijke reden om het professoraat te ambiëren was dat het hem de mogelijkheid geeft langduriger te werken met studenten. Een promovendus is langer bezig dan de afstudeerders die hij bij Philips regelmatig met plezier begeleidt. Bovendien heeft Philips zijn chipsdivisie NXP afgestoten, zodat er steeds minder aandacht is voor halfgeleidertechnologie, waar het Delftse Dimes een naam hoog heeft te houden in volledig nieuwe structuren op chip.

Stamcellen

Voorlopig staan living chips nog helemaal aan het begin van hun ontwikkeling. Dimes weet heel veel van flexibele chips. Onderzoekspartners bij de groep van Christine Mummery in Leiden zijn toppers op het gebied van stamcelonderzoek. Stamcellen zijn de generieke cellen waar een embryo in eerste instantie uit bestaat. Afhankelijk van de chemische en mechanische prikkels die ze krijgen, specialiseren ze zich. De Leidenaren zijn toonaangevend op het gebied van differentiatie van stamcellen in hartspiercellen.

De eerste levende chips bestaan nog niet, maar Dekker laat zich er niet van weerhouden om te speculeren over de eventuele mogelijkheden: ‘Je zou bijvoorbeeld een spiercel kunnen gebruiken als actuator in de tip van een katheter om die te bewegen. Dat gebeurt nu nog heel omslachtig door het aantrekken van draadjes die door de slang lopen. Je kunt ook denken aan netvliescellen in camera’s of tastcellen in sensoren, al denk ik dat we het in eerste instantie over toepassingen in het lichaam zullen hebben. De cellen op de chip moeten immers op natuurlijke wijze gevoed worden.’

Dekkers stoutste droom valt vrijwel samen met de heilige graal van stamcelonderzoekers, die zich momenteel vooral op terapeutische toepassingen richten. Stel je voor dat je van een hartpatiënt stamcellen zou kunnen kweken tot een stukje hartweefsel dat je vervolgens op het hart plakt om het te versterken. Een van de grootste vraagtekens is of zo’n ‘hartpleister’ elektrisch aansluit en meebeweegt met het ritme van het hart.

Dekker: ‘Je zou zo’n stuk weefsel kunnen kweken op een chip in plaats van een gaasje, zoals nu gebeurt. Die chip plak je met de andere kant tegen het hart aan. Hij analyseert de elektrische signalen die hij van het hart krijgt, en zorgt ervoor dat het gekweekte weefsel synchroon meebeweegt.’

Eerder verschenen in De Ingenieur nr 18, 2008. Ook op Sync