A E H T X # 05 HOLLAND S NEXT HEART MODEL. r 3) (leerjaar 3)

Transcriptie

1 # 05 HOLLAND S NEXT HEART MODEL (leerjaar 3) In Nederland komen hart en vaatziekten veel voor, door hartproblemen sterven jaarlijks veel mensen. Veel patiënten kunnen geholpen worden met een nieuw hart, maar helaas is er een groot tekort aan donoren. Op de faculteit Biomedische Technologie (BMT) van de Technische Universiteit Eindhoven wordt er onderzoek gedaan naar het vervangen van onderdelen van het hart, zoals hartkleppen en bloedvaten. Uiteindelijk willen de onderzoekers zelfs een heel nieuw hart kunnen kweken! Jullie opdracht is om nieuwe hartklep te ontwerpen. Er bestaan al veel kunstmatige hartkleppen die een kapotte klep kunnen vervangen, maar hier kleven vaak nadelen aan. Kleppen van metaal maken bijvoorbeeld geluid dat je buiten het lichaam nog kunt horen en andere kleppen sluiten niet goed, waardoor ze lekken. Faculteit BMT wil dat jullie gaan nadenken over een hartklep die zo min mogelijk van dit soort nadelen met zich meebrengt Eureka!Cup is een samenwerkingsproject van Stichting Techniekpromotie met het hoger- en wetenschappelijk onderwijs, de Nederlandse Natuurkunde Vereniging, stichting FOM, Universiteit Twente en het bedrijfsleven Vragen? Neem contact op met het Eureka!Cup projectteam of bezoek de website Stichting Techniekpromotie Eureka!Cup 2011 Tr Postbus MB Eindhoven info@eurekacup.nl Eureka!Cup is een project van Dit lesmateriaal is geschreven en ontwikkeld door de Universiteit Twente en de Technische Universiteit Eindhoven. #L0LAN5D S HO T R A E H T X NE MODEL r 3) (leerjaa

2 Eureka!Cup 2011 Inhoud Operation Body Check Dit jaar nemen we met de Eureka!Cup een kijkje in de wereld van de biomedische technologie. Het combineren van medische en technische kennis zorgt vaak voor ver nieuwde ideeën en oplossingen voor medische problemen. Zo kunnen we het leven van mensen aangenamer maken en artsen ondersteunen in hun werk. Je denkt waarschijnlijk al snel aan bionische ogen, robot armen en kunstmatige hartkleppen. Maar ook het ontwikkelen van een hulpmiddel voor ouderen of een autogordel voor zwangere vrouwen is biomedische technologie. Tijdens Ope ration Body Check heb je de mogelijkheid je te verdiepen in deze nieuwe wereld en te ervaren welk proces een biomedisch technoloog doorloopt bij het ontwikkelen van een nieuw idee of product. Namens het Eureka!Cup projectteam wens ik je veel succes en plezier tijdens deze uitdagende ontwerpopdracht. Hollands next heart model Opdrachtgever 4 Project 6 Vooronderzoek 8 Het ontwerp 10 Werkwijze 12 De test 14 Manja de Jonge Projectleider Landelijke Programma s Stichting Techniekpromotie Eureka!Cup is een project van Stichting Techniekpromotie. Stichting Techniekpromotie draagt bij aan de bèta-talent ontwikkeling van jongeren tussen de 4 en 15 jaar met als doel hen enthousiast te maken voor wetenschap en techniek. Wetenschap en techniek is nadenken over de wereld om je heen, het is problemen signaleren en oplossingen bedenken, uitvoeren en verbeteren. Door jongeren hiermee in aanraking te laten komen, krijgt de keuze voor weten schap en techniek een eerlijke kans. Tegelijkertijd wil de stichting ouders en docenten laten zien hoe leuk en leerzaam het is om met weten schap en techniek bezig te zijn en dat zij een belangrijke rol spelen in de bèta-talentontwikkeling van hun kinderen en leerlingen. Om dit te bereiken, heeft Stichting Techniekpromotie een palet aan activiteiten en programma s. Er zijn activi teiten waarbij jongeren zelf onderzoek doen naar een vraagstuk met een maatschappelijke context en zij tot een vernieuwende oplos sing moeten komen. Daarnaast zijn er shows waarbij vooral de nieuwsgierigheid van de jongeren geprikkeld wordt waarna zij met eigen vragen aan de slag gaan. De stichting is een samenwerkingsplatform van de technische universiteiten van Eindhoven en Delft, Universiteit Twente, Fontys, Saxion Hogescholen en andere onderwijsinstellingen, technocentra en science centra in heel Nederland en Vlaanderen. Naast deze partijen wordt de stichting mogelijk gemaakt door bedrijven, vrijwilligers en gedreven medewerkers. Keukenhulpje 3

3 Opdrachtgever De faculteit Biomedische Technologie (BMT) van de Technische Universiteit Eindhoven doet onderzoek naar de nieuwste technologieën in de gezondheidszorg. De onderzoekers zien de mens als een machine met daarin meet- en regelsystemen, energieomzettingen en veiligheidsvoorzieningen. Hieraan kan veel worden gemeten, er kunnen model len gemaakt worden van de systemen en als er een onderdeel stuk is, kan het wellicht worden vervangen. Het onderzoek aan de faculteit BMT in Eindhoven richt zich op drie onderwerpen. Ten eerste het in beeld brengen van het menselijk lichaam en het maken van modellen hiervan. Ten tweede het onderzoeken en in beeld brengen van weefsels op cel en moleculair niveau (alleen te zien met een microscoop!) om medicijnen en biomate rialen (materialen die in het lichaam kunnen worden gebruikt) te ontwikkelen. En tot slot de biomechanica (de bewegingen en krachten van het lichaam) en het maken ( engineering ) van weefsel. Hierbij wordt bijvoorbeeld gezocht naar technieken om ziektes aan het hart of het skelet te behandelen of een deel te vervangen. Zo is BMT Eindhoven op dit moment bezig met het maken van kunstmatige hartkleppen en jullie gaan ze hierbij helpen! De (biologische) hartkleppen die door BMT Eindhoven worden gekweekt moeten in een bioreactor worden getraind, zodat ze leren open en dicht te gaan. (zie voor een filmpje) Op de faculteit Biomedische Techniek van de Technische Uni ver siteit Eindhoven wordt op verschillende vlakken onder zoek gedaan naar het ontwikkelen van kunsthartkleppen. Eerst wordt er gerekend aan de eigenschappen van de klep (1), dan wordt er in een model een eerste prototype gemaakt (2), dan een prototype die in echte harten kan worden geteste (3 en 4) en tot slot ingebracht in echte patiënten (5). Een opdracht van Eureka!Cup in samenwerking met 4 Keukenhulpje 5

4 Project Het hart en vaatstelsel zijn een essentieel onderdeel van het menselijk lichaam: het zorgt ervoor dat bloed door het lichaam wordt gepompt. Bloed brengt zuurstof en andere voedingstoffen naar organen, en voert afval stoffen juist af. Het is dus van levens belang dat dit systeem goed werkt! Wanneer dit niet goed werkt, kan dit leiden tot een hart- of vaatziekte. Hart- en vaatziekten komen in Nederland en andere westerse samenlevingen erg veel voor. Een van de oorzaken hiervan is onze levensstijl: we eten te veel en te vet en bewegen te weinig, sommige mensen roken of drinken veel alcohol. Op de lange ter mijn tast dit de bloedvaten aan met als gevolg ziektes aan het hart en vaatstelsel. Er bestaan veel verschillende soorten hart- en vaatziektes. Het kan bijvoor beeld zo zijn dat een bloedvat vernauwd is en dat er daardoor minder of geen bloed door kan stromen. Als dat in een bloedvat van het hart gebeurt, spreek je van een hartinfarct. Maar ook het hart zelf kan Op de faculteit BMT in Eindhoven worden (biologische) kunstkleppen gekweekt. aangedaan zijn. Hierbij wordt het bloed bijvoorbeeld niet meer krachtig genoeg door het lichaam gepompt, of de richting waarin het bloed wordt gepompt, is niet goed. Daarnaast wor den er baby s gebo ren met een fout in de bouw van het hart, een aange boren afwijking. Dit kunnen aandoeningen aan de hart kleppen zijn. De hartkleppen zijn een belangrijk onderdeel van het hart. Ze zorgen ervoor dat het bloed maar langs één weg door het hart kan stromen. Als een van de kleppen lekt of niet werkt, zal het hart veel minder goed zijn werk kunnen doen. De klep zal dus vervangen moeten worden. Hiervoor zijn momenteel twee mogelijkheden. Er kan een biologische hartklep, van een menselijke of dierlijke donor (meestal een varken) worden getransplan teerd. Een nadeel hiervan is dat het lichaam de klep kan afstoten omdat deze niet in het lichaam thuishoort. Boven dien zullen ze slijten en dus na on geveer tien jaar vervangen moeten worden. Een andere optie is een mechanische hartklep. Deze kan van verschil lende soorten materialen worden gemaakt. Nadelen hiervan zijn dat sommige geluid maken dat buiten het lichaam te horen is en dat patiënten vaak hun hele leven anti stollingsmedicijnen zullen moeten slikken, omdat zich vaak bloedpropjes vormen rondom de kunstklep. Jullie opdracht is een nieuw soort hartklep te ontwerpen, die zo min mogelijk nadelen met zich meebrengt. Hiervoor is het belangrijk dat jullie weten hoe het hart precies werkt en hoe het bloed zich door het hart beweegt. Daarvoor moeten jullie eerst uitzoeken waar de kleppen zitten en hoe ze in een gezond hart werken. Bij het ontwerp van de klep is het belangrijk dat je onder andere nadenkt over het soort materiaal dat je gebruikt, wat voor drukken de klep aan moet kunnen en naar welke kant het bloed stroomt. BMT Eindhoven vraagt jullie met een originele en creatieve nieuwe oplossing te komen! 6 Keukenhulpje 7

5 Vooronderzoek Een goede hartklep moet aan een aantal voorwaarden voldoen om zijn functie goed te kunnen vervullen. Om dit te weten te komen, zullen jullie eerst een vooronderzoek moeten doen. Maak hiervan een verslag om zo te kunnen laten zien waar jullie allemaal rekening mee hebben gehouden. Deelonderzoek 2: Bouw en werking van hartkleppen Nu jullie het hart hebben onderzocht kunnen jullie je meer gaan verdiepen in de werking van de hartkleppen. Beantwoord hiervoor de volgende vragen: Het hart en een aantal grote bloedvaten, de kleuren geven stroming aan. (Zie voor een filmpje.) Deelonderzoek 1: Bouw en werking van het hart Zoek uit hoe het hart werkt en beantwoord hierbij de volgende vragen: 1. Waar in het lichaam bevindt zich het hart, uit welke onderdelen bestaat het? 2. Waar zitten de bloedvaten aan het hart? Vervoeren ze bloed het hart in of juist uit? Van welk deel van het lichaam komen ze of waar gaan ze naartoe? En is het bloed dat erdoorheen stroomt zuurstofarm of zuurstofrijk? 3. Welk pad legt het bloed af in het hart (dus waar komt het binnen, welke richting stroomt het op binnen het hart en waar komt het weer naar buiten). En is het bloed zuurstofarm of zuurstofrijk? 4. Waar zitten hartkleppen (hier ga je in deelonderzoek 2 mee verder)? Maak hiervan een verslag. Gebruik veel plaatjes en tekeningen om de bouw en de werking van het hart inzichtelijk te maken. 1. Waar in het hart bevinden zich hartkleppen en hoe zien deze er uit? 2. Hoe werken de hartkleppen? 3. Wat kan er misgaan als de hartklep niet goed werkt? Gebruik plaatjes en tekeningen in je verslag om dit te laten zien. Deelonderzoek 3: kunstmatige hartkleppen Bekijk wat voor kunstmatige hartkleppen er bestaan. Kies er twee uit om goed te bestuderen en noem voor elke ten minste een voor en een nadeel. Denk daarbij aan het materiaal, het mechanisme, eventuele bijkomstigheden (bijvoorbeeld of het geluid maakt) en de manier waarop het moet worden ingebracht. Maak hiervan een lijstje voor in je verslag. 8 Keukenhulpje 9

6 Het ontwerp Met de kennis die jullie in de eerste drie deelonder zoeken hebben opgedaan, kunnen jullie nu een eigen kunstmatige hartklep ontwerpen. Laat in je verslag zien waarom je voor dat ontwerp hebt gekozen. Maak hiervan een prototype. Kies hiervoor een materiaal dat dicht bij het materiaal van jullie keuze ligt. Houd wel rekening met de volgende testvoorwaarden: De klep moet binnen een buis met een doorsnede van 4,5 cm passen. De klep moet waterbestendig zijn Zorg ervoor dat je zo veel mogelijk nadelen die je in deelvraag 3 hebt gevonden voorkomt met je ontwerp! Onderzoekers van BMT Eindhoven testen hun hartkleppen in een echt hart! 10 Keukenhulpje 11

7 Werkwijze Team Dit project voor BMT Eindhoven voeren jullie uit in een team van vier of vijf klasgenoten. Tijdens de opdrachten is samenwerken erg belangrijk. Jullie docent is jullie begeleider, bij hem of haar kunnen jullie altijd met vragen terecht als jullie ergens met de groep niet uitkomen. Week 1: Maken van een plan van aanpak voor deelonderzoek 1 Uitvoeren van deelonderzoek 1 Week 2: Maken van een plan van aanpak voor deelonderzoek 2 Uitvoeren van deelonderzoek 2 Plan van aanpak Voordat jullie aan de verschillende deelonderzoeken beginnen, is het belangrijk dat jullie voor elk van deze opdrachten een plan van aanpak maken. Dit is maximaal een A4 tje waar overzichtelijk de volgende dingen op staan. De naam van het project. De naam van het deelonderzoek. Welke werkzaamheden jullie uit gaan voeren. Hoe jullie de taken verdelen. Wanneer de taken uitgevoerd gaan worden. Wat er allemaal nodig is. Wanneer jullie als team overleggen en waarover dat zal gaan. Tijdsplanning De planning van het project over een periode van zeven weken ziet er als volgt uit: Week 3: Maken van een plan van aanpak voor deelonderzoek 3 Uitvoeren van deelonderzoek 3 Week 4: Uitvoeren van deelonderzoek 3 Maken van een plan van aanpak voor het ontwerpen en maken van de hartklep Week 5 en 6: Ontwerpen van een hartklep Maken van het prototype van de hartklep Testen van het prototype Week 7: Prototype eventueel aanpassen en nogmaals testen Afronden van het project en het voltooien van de verslagen Materialen Jullie hebben waarschijnlijk verschil lende materialen nodig. Probeer dit eerst zoveel mogelijk zelf te regelen. Voor materialen waar jullie zelf niet of moeilijk aan kunnen komen, kunnen jullie altijd de docent om hulp vragen. Informatiebronnen Voor het maken van de deelonderzoeken zullen jullie informatiebronnen nodig hebben. In biologieboeken en in de bibliotheek is veel informatie te vinden, ook is er op het internet veel informatie beschikbaar. De website is een goede plek om te beginnen met zoeken. Daar staat een aantal handige links. Deze links hebben betrekking op jullie project. Jullie kunnen natuurlijk ook zelf zoeken naar nuttige boeken en internetpagina s. 12 Keukenhulpje 13

8 De Test Om jullie ontwerp te kunnen testen, verwacht de opdrachtgever een prototype van jullie ontwerp. In de klas wordt deze bekeken en beoordeeld, en wie weet ook wel op de Eureka!Day. Als jullie ontwerp wordt uitgekozen als beste van de klas, mogen jullie deze op de Euraka!Day komen presenteren en zal deze uitgebreid worden getest door de jury. Jullie krijgen daar ook de gelegenheid uit te leggen waarom juist jullie ontwerp het beste is. De hartklep zal op een aantal punten worden beoordeeld. Originaliteit en creativiteit Het gebruikte materiaal Het doorlaten van bloed in een richting De drukken voor en na de hartklep De realiseerbaarheid in de praktijk Testopstelling Op de Eureka!Day zal er een hartmodel aanwezig zijn waaraan jullie je hartklep kunnen bevestigen. Elk groepje krijgt een buis dat 20 cm lang is, zodat deze gemak kelijk direct in het hartmodel geplaatst kan worden. De doorsnede van deze buis is 4,5 cm (dit is even groot als een standaard wc-rol). Zorg er dus voor dat je hartklep hier binnen past en dat deze goed vastzit voordat je naar de Eureka! Day komt en niet zal loslaten op het moment dat de testopstelling aangezet wordt! Op de dag zelf zal er bloed door het hart worden gepompt. Als jullie hartklep het goed doet, zal er het bloed dus het hart uitgepompt kunnen worden, maar er niet terug in kunnen stromen. 14