Studenten ontwikkelen drukgevoelige coating om nauwkeurig tandenknarsen te meten.

Drie Maastrichtse studenten ontwikkelden een drukgevoelige coating om nauwkeurig kauwbewegingen in de mond te meten. Dat leidt hopelijk tot een instrument om tandenknarsen aan te tonen en te behandelen. Met hun ‘SmartBite’ wonnen ze de Topsector Chemie studentencompetitie 2015.

9 december 2015

Bij deze vrouw zijn de boventanden flink afgesleten door langdurig tandenknarsen.
DRosenbach via Wikimedia Commons CC0

Iedereen klemt weleens onbewust zijn kaken op elkaar of maakt een kauwbeweging zonder dat er werkelijk iets te kauwen is. Maar voor een groep mensen is tandenknarsen een hardnekkige gewoonte die tot serieuze medische problemen leidt. Schade aan tanden en kiezen, overbelaste kaakspieren en hoofdpijn zijn veelvoorkomende gevolgen. Het zijn ook de belangrijkste symptomen om vast te stellen dat iemand lijdt aan tandenknarsen.

Tandartsen willen graag direct in de mond kunnen meten hoe vaak, hoe hard en hoe lang iemand z’n kiezen op elkaar drukt. Maar hoe doe je dat? Drie Maastrichtse studenten van Team SmartBite bedachten een oplossing. Zij vonden een materiaal dat heel gevoelig drukverschillen omzet in een meetbaar signaal. Ze wonnen er de Studentencompetitie van de Topsector Chemie mee.

Bruxisme

De medische term voor tandenknarsen is bruxisme, dat in twee typen voorkomt. Slaapbruxisme is tijdens de slaap een probleem en is vaak gerelateerd aan andere stoornissen zoals slaapapneu of snurken. Het ritmisch tandenknarsen kan zo heftig zijn dat het ook de nachtrust van de partner verstoort. Het dragen van een bitje tijdens het slapen helpt om de tanden te beschermen en het lawaai te verminderen. Waakbruxisme is een heel ander fenomeen. Dit heeft vooral te maken met met spanning en stress en bouwt zich op gedurende dag (of beter: gedurende het wakker zijn). Deze vorm van tandenknarsen komt vaker voor bij vrouwen en zorgt naast schade aan tanden en kiezen ook voor overbelaste kaakspieren en spanningshoofdpijn.

Het begon als een regulier onderwijsproject waarbij studenten een maand werkten aan een echt probleem, vertelt Onno Akkermans die samen met Mitch Spronck en Pegah Keshaniyan Team SmartBite vormt. “Wij kregen een vraag van het bedrijf Maastricht Instruments. Zij hadden in opdracht van een gespecialiseerde tandarts van het Universitair Medisch Centrum in Maastricht een prototype van een meetinstrument ontwikkeld om in de mond waakbruxisme te meten. Dat is de medische term voor overdag tandenknarsen (zie kader hierboven). Ze zochten naar een goede coating voor dit instrument en dachten aan een drukgevoelig polymeer.”

Vijfring

Ze doken de wetenschappelijke tijdschriften in en vonden al snel een publicatie in Nature over polypyrrolen. Dit zijn lange ketens van identieke moleculen die een zogeheten pyrroolring bevatten, een vijfhoekige ‘ring’ van vier koolstofatomen en een stikstofatoom. Akkermans: “Volgens de onderzoekers waren hun polypyrrolen zeer drukgevoelig en daar waren we precies naar op zoek. Het was echt een voltreffer dat we zo snel op dit artikel stuitten.”

Op papier iets vinden is een ding, maar je moet het ook kunnen toepassen. “Het namaken van dit polymeer verliep boven verwachting goed. Na nog wat meer literatuuronderzoek kwamen we op het idee om elektropolymerisatie toe te passen en daarmee lukt het om een heel mooie, dunne en gelijkmatige coating van het polypyrrool te maken.”

“De patiënt moet zo min mogelijk last hebben van het meetinstrument, zodat het zonder problemen een hele dag of nog langer gedragen kan worden. Ons idee is om in een standaard splint of bitje een dunne laag van de drukgevoelige coating aan te brengen, gekoppeld aan een heel kleine, flexibele batterij en een bluetooth systeem waarmee de meetgegevens direct verstuurd worden naar de telefoon van de arts. Of naar de patiënt als diegene dit voor een behandeling gebruikt. Hij of zij wordt zich dan bewust van het tandenknarsen en kan actief proberen dit te vermijden.”

Structuur van het polypyrrool dat het SmartBite team gebruikt voor hun coating. De rechte ketens boven en onder zijn polypyrrolen die bij elkaar worden gehouden door een zogeheten ‘linker’. Een linker zorgt er voor dat de lange ketens bij elkaar blijven zodat er een stevige structuur ontstaat. Hier is de linker fytinezuur, dat bestaat uit een centrale zesring van koolstofatomen (niet weergeven) met daaraan zes fosfaatgroepen. O: zuurstof, P: fosfor, H: waterstof. Fytinezuur is voor planten een belangrijke manier om fosfor op te slaan. — Structuur van het polypyrrool dat de drie studenten gebruikten voor hun coating. De rechte ketens boven en onder zijn polypyrrolen die bij elkaar worden gehouden door een zogeheten *linker*. Een *linker* zorgt er voor dat de lange ketens bij elkaar blijven zodat er een stevige structuur ontstaat. Hier creëert fytinezuur de stevigheid. Dit natuurlijke zuur dat bestaat uit een centrale zesring van koolstofatomen (niet weergeven) met daaraan zes fosfaatgroepen. O: zuurstof, P: fosfor, H: waterstof. Fytinezuur is voor planten een belangrijke manier om fosfor op te slaan.
SmartBite/Universiteit Maastricht (met toestemming)

Weerstand

De batterij is nodig om een constante, maar heel lage elektrische spanning op de coating te zetten. Daarin schuilt het geheim van de coating. Akkermans: “Het polypyrrool is niet alleen drukgevoelig, maar ook geleidend en piëzoelektrisch. Als de druk toeneemt, verlaagt de weerstand van het materiaal. Het polypyrrool zit als heel kleine, holle bolletjes in de coating. Onder druk, dus als de patiënt bijt, raken de bolletjes vervormd en komt het materiaal meer met elkaar in contact. Elektronen kunnen zich dan makkelijker verplaatsen door het materiaal, waardoor de weerstand afneemt. En bij een lage weerstand, gaat de stroom omhoog en dat kun je meten.”

Ze hebben nog niet in mensen gemeten, maar de testen in een labopstelling laten zien dat het concept werkt. Zonder druk geleidt de coating nauwelijks stroom, terwijl onder de druk de weerstand meteen afneemt. Ook verschillen in aangebrachte druk worden nauwkeurig gemeten. Is de druk weg, dan ‘veert’ het polymeer meteen terug naar de oorspronkelijke toestand.

Een impressie hoe SmartBite zou kunnen gaan werken. De coating en alle elektronica zit verwerkt in een makkelijk te dragen ‘bitje’. Gedurende de dag registreert SmartBite het tandenknarsen en stuurt de gegevens via bluetooth meteen naar de smartphone van de patiënt en/of de tandarts. — Een impressie hoe SmartBite zou kunnen werken. De coating en alle elektronica zitten verwerkt in een makkelijk te dragen ‘bitje’. Gedurende de dag registreert SmartBite het tandenknarsen en stuurt de gegevens via bluetooth meteen naar de smartphone van de patiënt en/of de tandarts.
SmartBite/Universiteit Maastricht (met toestemming)

Vrije tijd

Inmiddels was de maand voor dit project allang voorbij, maar de studenten waren zo enthousiast dat ze aan het onderwerp bleven werken in hun vrije tijd. “Ik had meteen het gevoel dat we hier iets te pakken hadden dat echt kan werken”, zegt Akkermans. Op zoek naar financieringsmogelijkheden kwamen ze via hun begeleiders op het spoor van de Topsector Chemie studentencompetitie. Hun project werd met nog drie andere voorstellen geselecteerd voor de finale. Na nog meer uitwerking en een presentatie voor een vakjury kwam SmartBite als winnaar uit de bus.

Prijsuitreiking van de Topsector Chemie studentencompetitie op 1 december 2015 tijdens chemieconferentie CHAINS in Veldhoven. In het midden Mitch Spronck en Onno Akkermans van team SmartBite. Links van hen Gerard van Harten (Topsector Chemie) en rechts juryvoorzitter Han de Winde (Universiteit Leiden).NWO/Thijs ter Hart Fotografie (met toestemming)

Tijdens de prijsuitreiking op 1 december ontvingen ze ieder een cheque van duizend euro. “Daarvan ga ik in ieder geval op vakantie, want dat is er dit jaar niet van gekomen door al het werk aan SmartBite”, aldus Akkermans. Het project loopt ondertussen door. “Er komen studenten bij die meer weten van elektrotechniek. Ook moeten we werken aan een heel dunne beschermlaag voor de coating, zodat deze niet kapotgaat tijdens het bijten. Samen met onze begeleiders gaan Mitch en ik op zoek naar nieuwe financieringsmogelijkheden om hiermee door te gaan. Wij blijven onderdeel van de groep.”

Opnamen van de SmartBite polypyrroolcoating gemaakt met elektropolymerisatie, waarbij een oplossing met daarin het polymeer en de linker onder spanning wordt gezet. De positief geladen deeltjes zetten zich dan af op de negatief geladen kathode. In dit geval een dun koperplaatje. Bij lage spanning en korte polymerisatie tijd vormen zich nauwelijks bolletjes (A en B). Hogere spanning zorgt voor bolletjes, maar na 1 minuut zijn die nog open ©, terwijl na 5 minuten de bolletjes gesloten zijn (D). Verder oplopende spanning (E,G,I na 1 min en F,H,J na 5 min) maakt voor de vorm van de bolletjes niet veel uit. De opnames zijn gemaakt met een Scanning Electron Microscope (SEM) die heel nauwkeurig een oppervlak ‘aftast’. — Opnamen van de SmartBite polypyrroolcoating gemaakt met elektropolymerisatie, waarbij een oplossing met daarin het polymeer en de linker onder spanning wordt gezet. De positief geladen deeltjes zetten zich dan af op de negatief geladen kathode. In dit geval een dun koperplaatje. Bij lage spanning en korte polymerisatie tijd vormen zich nauwelijks bolletjes (A en B). Hogere spanning zorgt voor bolletjes, maar na een minuut zijn die nog open (foto C), terwijl na vijf minuten de bolletjes gesloten zijn (D). Verder oplopende spanning (E,G,I na een minuut en F,H,J na vijf minuten) maakt voor de vorm van de bolletjes niet veel uit. De opnames zijn gemaakt met een *Scanning Electron Microscope* (SEM) die heel nauwkeurig een oppervlak ‘aftast’.
Ketie Saralidze/Universiteit Maastricht (met toestemming)

Topsector Chemie studentencompetitie

De Topsector Chemie, waarin bedrijven, universiteiten en overheden samenwerken, wil jong talent stimuleren. Daarin past de studentencompetitie, waarin teams van studenten worden uitgedaagd om op een een maatschappelijke of industrieel probleem op te lossen. In 2016 vindt de competitie voor de derde keer plaats, nog in 2015 start de indieningsprocedure voor voorstellen. Meer informatie op www.topsectorchemie.nl

Reageer