Rond de tijd dat Robbyn Anand begon met het bestuderen van concentratie- en scheidingstechnologieën voor haar promotieonderzoek, haar oudere broer David werd gediagnosticeerd met eindstadium nierfalen.

Een auto-immuunziekte had zijn nieren aangevallen. Hij zou afhankelijk zijn van dialyse om afvalstoffen uit zijn bloed te verwijderen. Hij is nu 37 en gebruikt thuisapparatuur, maar de grootte en het gewicht van de machines hebben nog steeds invloed op zijn leven.

"Hoe kan ik helpen met die situatie?" vroeg Anand zich af tijdens haar doctoraatsstudie aan de Universiteit van Texas in Austin van 2004 tot 2010.

Mogelijke antwoorden waren daar in een chemielab in Texas. Anand, die sinds 2015 assistent-professor scheikunde is aan de Iowa State University onderzocht hoe elektrische velden in de kleine kanaaltjes van microfluïdische apparaten kunnen worden gebruikt om geladen deeltjes te concentreren en te scheiden.

Eén toepassing die ze bestudeerde, gebruikte de technologie om zout uit zeewater te verwijderen.

Dat leidde tot een andere vraag:"Ik vraag me af of er een manier is om deze ontziltingstechnologie te gebruiken om mijn broer te helpen?"

Elektrochemie voor ontzilting

Een paper uit 2013 mede geschreven door Anand (de hoofdauteur is Richard Crooks, professor en Robert A. Welch Chair in Chemistry at Texas) beschrijft die ontziltingstechnologie:

Op een chip van glas en kunststof staat nog maar 3 volt. De chip bevat minuscule kanaaltjes ter grootte van een mensenhaar. Zeewater gaat in het hoofdkanaal en stroomt naar een elektrode bij een tweerichtingssplitsing. Een elektrisch veld creëert een ionenuitputtingszone die zout de ene kant op stuurt en zoet water de andere kant op.

Een persbericht uit Texas vergeleek het proces destijds met een trol aan de voet van een brug die blokkeert dat zout oversteekt.

De technologie ziet er veelbelovend uit omdat er weinig energie voor nodig is, er is geen filter of membraan dat verstopt kan raken en de kapitaalkosten zijn klein.

We zullen, wat gebeurt er tijdens dialyse?

Machines nemen bloed van een persoon, zout verwijderen, afval en water, breng dan schoon bloed terug.

Zou er een manier zijn om dit elektrochemisch gemedieerde ontziltingsproces daarvoor te gebruiken? Zou dat technologie kunnen creëren die geen enorme en zware reservoirs met dialysevloeistof nodig heeft? Zou dat kunnen leiden tot draagbare, batterijgevoede dialyseapparaten?

Een ander project hielp Anand de effectiviteit van de technologie in een biologische toepassing te onderzoeken.

Biologische cellen manipuleren

Na de middelbare school, Anand ging verder met postdoctoraal onderzoek aan de Universiteit van Washington in Seattle, waar ze doorging met het ontwikkelen van hybride elektrochemisch-microfluïdische technologie - dit keer om kankercellen te isoleren die in de bloedbaan circuleren.

Die studies hielpen bij het ontwikkelen van strategieën voor het gebruik van draadloze bipolaire elektroden om biologische cellen te manipuleren.

Anand's werk met circulerende tumorcellen gaat verder in de staat Iowa. Haar onderzoeksgroep heeft ook gewerkt aan de ontwikkeling van verwante technologie voor een dialyseapparaat.

Tot dusver, Anand zegt dat de onderzoekers hebben aangetoond dat de technologie overtollig vocht uit het bloed kan verwijderen zonder significante bloedeiwitten te verliezen.

Maar, ze zei, drie primaire uitdagingen blijven:

• Het elektrische veld is sterk genoeg om bloedcellen te beschadigen, dus zoeken onderzoekers naar manieren om cellen er vanaf te houden.
• Het proces moet worden opgeschaald om per minuut 1 milliliter vocht uit bloed te produceren. Maar het antwoord is niet alleen grotere apparaten bouwen, omdat dat vloeistofwervelingen en stromingsinstabiliteit kan veroorzaken.
• Een van de materialen in het apparaat is niet goedgekeurd voor medisch gebruik door de Food and Drug Administration. Dus andere, reeds goedgekeurde materialen moeten worden getest.

Het Iowa State-team dat met Anand aan die uitdagingen werkt, omvat Baskar Ganapathysubramanian, een universitair hoofddocent werktuigbouwkunde; Beatrise Berzina, Joseph Banovetz en Sungu Kim, doctoraatsstudenten; en Benjamin Rayborn, een bachelorstudent. Ook samenwerkend met de onderzoekers is Jacob Alexander, een arts bij McFarland Clinic in Ames die gespecialiseerd is in nierziekten.

Het onderzoek wordt momenteel ondersteund door Anand's startup-fondsen uit de staat Iowa.

Ze hoopt dat de onderzoekers technologie kunnen ontwikkelen die een draagbare, kunstmatige nier. Anand zei dat ze ernaar streven om te voorkomen dat het te complex of te duur wordt, zodat het commercieel relevant en beschikbaar kan zijn.

Ze weet dat er uitdagingen in het verschiet liggen. Maar ze is gemotiveerd om het project vooruit te helpen.

"Dit is een behoorlijk hot veld en de financiering is concurrerend, ' zei Anand. 'Maar, voor dit specifieke project, mijn doel is om mijn broer te helpen en te ontdekken wat wij op dit gebied uniek kunnen bijdragen."