De basisprincipes van origami hebben de manier veranderd waarop biomedische ingenieurs naar hun werk kijken.
Greenberg was geïnteresseerd in buigzame mechanismen, dat wil zeggen, voorwerpen waarvan de beweging voortkomt uit buigen, vouwen en draaien. Een van haar beste vrienden was een origami-wonderkind die haar enkele basistechnieken leerde. Sommige mensen lezen veel papers voor hun school. Ik heb veel papier gevouwen, zegt Greenberg.
Kleurrijke T-rex en Venus vliegenval figuren, samen met boeken met origami patronen, begonnen de planken van het laboratorium te bevolken. En Greenberg, samen met haar professoren, realiseerde zich dat de oude kunst van het papiervouwen ook op andere gebieden kon worden toegepast, waaronder het ontwerpen van medische instrumenten en apparaten.
Het was een huwelijk tussen kunst en techniek, een 1.000 jaar oude praktijk toegepast op geavanceerde technologie. Origamikunstenaars ontdekten nieuwe manieren om dingen te doen waar we nooit op zouden zijn gekomen als we de methoden hadden gebruikt die we al eeuwen gebruiken, zegt Larry Howell, PhD, professor werktuigbouwkunde en associate academic vice president aan BYU.
Tegen de tijd dat Greenberg in 2010 in het lab kwam, gebruikten wetenschappers en ingenieurs over de hele wereld al origami-principes - vooral het idee dat iets groots kan worden gevouwen tot een compacte vorm en vervolgens weer kan worden uitgebreid - bij het ontwerpen van airbags en raketschilden.
Zhong You, PhD, nu professor in de ingenieurswetenschappen aan de universiteit van Oxford, had gewerkt aan een inklapbare hartstent om aorta-aneurysma's te behandelen, die origami-principes gebruikte om van een diameter van 30 mm op te vouwen tot een schamele 7-9 mm om het inbrengen te vergemakkelijken, en vervolgens zijn volledige grootte aan te nemen eens hij in de aorta was geplaatst.
En Robert J. Lang, PhD, een fysicus en wereldvermaard origami-expert, had een zakje voor medische instrumenten ontworpen, waarbij origami werd gebruikt om een plat materiaal te vouwen zodat steriele oppervlakken niet in contact zouden komen met niet-steriele oppervlakken wanneer het werd gebruikt. Lang adviseerde overheidsinstanties, particuliere bedrijven en universiteiten, waaronder BYU, over manieren om origamiprincipes en -technieken toe te passen op een scala van projecten.
Wat origami bijdraagt aan de geneeskunde en andere gebieden is deterministische vormverandering, zegt Lang, dat wil zeggen apparaten die op een specifieke en opzettelijke manier van vorm veranderen in plaats van gewoon te verkreukelen zoals een overhemd dat in een la is gestopt. Nu origami meer erkenning heeft gekregen, als onderdeel van de gereedschapskist van ingenieurs, hebben meer mensen die aan medische problemen werken het gezien en dat verband gelegd: Oh, dit kan nuttig zijn.
De National Science Foundation heeft de buzz opgevangen en in het begin van de jaren 2010 een reeks van subsidies met betrekking tot origami gefinancierd: een dag-lange workshop over het ontwerp van DNA origami, een project op programmeerbare intelligente origami, en een, aan BYU, over het toepassen van origami principes op niet-papieren materialen.
Het team van BYU maakte een blaasbalg in origami-stijl die een steriel omhulsel kon vormen voor de gebogen arm van een röntgenapparaat wanneer die in verschillende richtingen werd gedraaid. Ze gebruikten origami om een beter passende luier voor volwassenen te ontwerpen die zich aanpaste aan de rondingen van het lichaam.
Een van de eerste patronen waar we mee speelden was de chomper, zegt Spencer Magleby, PhD, professor werktuigbouwkunde aan BYU en associate dean of undergraduate education. Een origami chomper ziet eruit als een snavel of mond; als je er aan de zijkanten in knijpt, gaat hij open en dicht, alsof hij bijt.
Hetzelfde principe zou kunnen worden gebruikt om een piepklein instrument voor laparoscopische chirurgie te maken, dat met een kabel wordt bediend om dicht te knijpen voor het inbrengen, en vervolgens wordt geopend en gemanipuleerd zodra het zich in het lichaam bevindt. Het BYU-team noemde het een oriceps (een op origami geïnspireerde chirurgische tang).
Aan de Pennsylvania State University, waar Mary Frecker, PhD, het Center for Biodevices leidt, begon haar team te werken aan een apparaat dat via een endoscoop kan worden ingebracht om abdominale tumoren te behandelen met radiofrequente ablatie C een elektrische stroom die tumorcellen doet vibreren, opwarmen en afsterven.
Freckers team gebruikte origamitechnieken om een sondepunt te maken bestaande uit piepkleine naaldjes die compact konden worden ingebracht en vervolgens als een 3D-pauwenstaart konden uitwaaieren zodra ze zich in de tumor bevonden. Ze noemden het de chimera, een Grieks woord dat verwijst naar een schepsel dat bestaat uit ongerijmde delen.
Dergelijke op origami geïnspireerde hulpmiddelen hebben enkele voordelen ten opzichte van traditionele instrumenten: een eenvoudig ontwerp betekent minder bewegende onderdelen en minder mogelijkheden voor bacteriën om zich te verzamelen in scharnieren of gewrichten, en ook lagere productiekosten.
Als medische instrumenten en stents kleiner gemaakt zouden kunnen worden, zouden de operaties zelf minder ingrijpend en verstorend zijn voor het lichaam; genezing zou sneller en minder gecompliceerd kunnen verlopen.
De toepassing [van origami in de geneeskunde] is gelijk op gegaan met de opkomst van laparoscopische chirurgie, zegt Lang. Je wil door een klein gaatje naar binnen gaan; eens je binnen bent, wil je je spreiden, hetzij met stents die een bloedvat spreiden, hetzij met retractors die opengaan om organen uit de weg te halen. Dat is waar origami een rol heeft gespeeld.
Het gebruik van origami in medische toepassingen brengt ook uitdagingen met zich mee. Traditionele origami is gebaseerd op het gebruik van papier, maar hulpmiddelen die bedoeld zijn voor gebruik in het lichaam moeten gemaakt zijn van materialen die biocompatibel zijn.
Dan is er nog de kwestie van de activering. Hoe ga je het laten bewegen als het eenmaal op de plaats van bestemming is? vraagt Lang. Is het een motor, een hefboom, wordt het elektrisch geactiveerd? Sommige op origami geïnspireerde apparaten komen in actie als ze een bepaalde temperatuur bereiken, maar die temperatuur moet ook compatibel zijn met het menselijk lichaam.
Greenberg verliet BYU 10 jaar geleden en werkt nu in business development bij Chevron. Haar origami-experimenten beperken zich tot het vouwen van servetten met haar kinderen terwijl ze op het eten wachten in een Chinees restaurant.
Maar over de hele wereld C in Oxford, Penn State, en BYU, in laboratoria in Israël, China, Japan, en elders C blijven onderzoekers onderzoeken hoe origami kan worden toegepast op medische apparaten en procedures: een gevouwen biocompatibel vel ingebed met chemotherapie medicijnen die zich kunnen ontvouwen in het lichaam; een minuscule stent, slechts 0,5 mm in diameter, voor de behandeling van glaucoom; en een tak van DNA-nanotechnologie waarbij DNA wordt gebreid in 3D-structuren die kunnen worden gebruikt, bijvoorbeeld in bio-imaging en slimme medicijnafgifte, het brengen van chemotherapie direct in doelwit kankercellen.
De belangstelling voor op origami geïnspireerde medische apparatuur is de laatste tien jaar behoorlijk gegroeid, zegt Frecker, wiens team nu werkt aan een op origami geïnspireerd product om artsen die sinusoperaties uitvoeren te beschermen tegen blootstelling aan aërosoldruppeltjes van hun patiënten.
Op dit moment bevinden de meeste op origami geïnspireerde medische toepassingen zich nog in de onderzoeks- of prototypefase. Het kan jaren duren om fondsen te werven, de interesse van een fabrikant te wekken en goedkeuring van de FDA te krijgen. Het gaat geleidelijk van de laboratoria naar bedrijven, zegt Howell. Dat kost gewoon tijd.
De basisprincipes van origami C het afleiden van beweging uit vouwen en niet-vouwen; iets plats omzetten in iets driedimensionaals; iets groots terugbrengen tot iets kleins door het te vouwen; eenvoudige technieken gebruiken om complexe resultaten te bereiken C hebben de manier veranderd waarop biomedische ingenieurs naar hun werk kijken.
Voor Frecker hebben die concepten ook de manier veranderd waarop zij naar de wereld kijkt. Ik heb me nooit gerealiseerd hoe alomtegenwoordig origami is totdat ik ermee begon te werken in mijn onderzoek, zegt ze. Het is overal.
