Geïntegreerde fotonica is belangrijk voor de ontwikkeling van (diagnostische) sensoren en de medisch-technische apparatuur om die uit te lezen. En voor fotonica, zowel sensoren als die apparaten, is het Nederlandse hightech ecosysteem van groot belang. Dankzij de context van kennisinstellingen, mee-ontwikkelende toeleveranciers en publieke en private financiers kunnen ondernemers in Nederland innovaties realiseren waar medici wereldwijd behoefte aan hebben. Vooral voor marketing is internationale samenwerking nodig.
‘Waarde toevoegen voor patiënt vereist internationale samenwerking’
Fotonica biedt bij uitstek technologie voor medische diagnose. Door licht door een bloedbaan of op een speeksel- of bloedmonster te sturen, veranderen de intensiteit en de kleur van dat licht. Er ontstaat een uniek patroon. Dat lichtpatroon kan worden vastgelegd met een receptor en algoritmisch worden vergeleken met patronen die zijn opgeslagen in een digitale bibliotheek. Elk opgeslagen patroon kan een bepaald type afwijking vertegenwoordigen, de aanwezigheid van een virus of een te laag suikergehalte. Afwijkingen creëren patronen die maar heel weinig verschillen van de reflecties of verstrooiingen die terugkomen van een monster dat in orde is. De kracht van fotonische sensoren ligt juist in het detecteren van die hele kleine variaties, schetst Ewit Roos van PhotonDelta, de ‘Europese hub voor de geïntegreerde fotonica-industrie’, zoals het op de eigen website wordt genoemd.
Met het Nederlandse hightech ecosysteem, met zijn expertise in semicon, als uitvalsbasis, zijn met name in en rond Eindhoven en in de Oost-Nederlandse regio Twente bedrijven ontstaan die fotonische technologie leveren voor medische sensoren, wijst Ewit Roos. Foto: Christ Clijsen
Geen toeval
Dat deze sector juist in de Nederlandse hightech tot wasdom is gekomen, is geen toeval, zegt de CEO. De oorsprong ligt bij Philips, een multinational met een grote onderzoeksafdeling waar veel onderzoek werd gedaan naar het manipuleren van licht. Om een fotonische sensor te kunnen ontwikkelen en bouwen, moet je bovendien verschillende functies in een chip kunnen integreren, zoals de lichtbron, de versterker om het licht te versterken en de modulator om de golflengtes aan te passen. Nederlandse hightech, met zijn expertise in de semicon, is bij uitstek in staat om chips te ontwikkelen en te produceren die zoveel functies combineren op een heel klein oppervlak.
Eindhoven en Twente
Met dat ecosysteem als uitvalsbasis zijn vooral in en rond Eindhoven en in de Oost-Nederlandse regio Twente bedrijven ontstaan die technologie voor medische sensoren leveren, wijst Roos. Enschede is bijvoorbeeld de thuisbasis van Lionix, een bedrijf dat gespecialiseerd is in de productie van fotonische chips (PIC’s) op een siliciumnitride platform. Kenmerkend voor dat materiaal is dat er heel weinig licht verloren gaat. En dat is natuurlijk belangrijk als je licht van de fotonische chip (PIC, red.) door een monster stuurt en genoeg licht terug moet krijgen om een diagnose te kunnen stellen.’
Volumestimulans
Nu gaat het in de wereld van medisch-technologische apparatuur meestal om apparaten die in relatief kleine batches op de markt worden gebracht, terwijl volume nodig is om de ontwikkelingskosten terug te verdienen. Die volumedrijver gaat wel uit van dat andere grote toepassingsgebied van fotonica: telecom. In die sector wordt licht gebruikt om zeer grote hoeveelheden gegevens te verzenden tegen lage energiekosten en met hoge snelheden. Fotonica is essentieel om de snelle groei van het wereldwijde dataverkeer bij te houden zonder veel van de beschikbare energie van datacenters te verbruiken. Op deze manier zorgt telecom er indirect voor dat de prijs van PIC’s aanzienlijk daalt. Met die technologie kunnen dan relatief goedkoop toepassingen worden ontwikkeld die relevant zijn voor de medische diagnostiek, zegt Roos.
Internationale samenwerking
Zijn PhotonDelta was medeauteur van een programmavoorstel dat vorig jaar door de Nederlandse overheid werd gehonoreerd met €471 miljoen uit het Nationaal Groeifonds. Private partners van PhotonDelta zorgen voor een verhoging van dat bedrag tot in totaal €1,1 miljard. Dat geld is nu beschikbaar voor de ontwikkeling van die toepassingen, dat wil zeggen ‘bouwstenen’ van verschillende geïntegreerde functies, onder andere voor medische sensoren. Maar daarvoor is ook internationale samenwerking met de markt nodig. ‘De eindgebruikers, de artsen en chirurgen en med-tech partijen die toegang hebben tot die markt, zitten vooral in de VS en ook Duitsland. Interactie met hen is cruciaal om toepassingen te ontwikkelen die daadwerkelijk waarde toevoegen voor de patiënt.
Nederlandse hightech context
Pim Kat ontving in 2021 een koninklijke onderscheiding als ‘pionier in geïntegreerde fotonica sensing’. Hij is zich goed bewust van de Nederlandse hightech context waarbinnen hij die pioniersrol heeft kunnen vervullen. Zijn ontdekkingsreis begon in 2006 toen hij samen met kennisinstituut TNO een instrument ontwikkelde om onder andere rek en temperatuur nauwkeurig te meten. Dat resulteerde in een klassiek optisch systeem dat met één vezeldraad verschillende dingen kon meten. Maar het systeem bleek erg duur om te produceren. In zijn zoektocht naar een robuustere en compactere oplossing met lagere kosten kwam hij in contact met Meint Smit, een specialist in geïntegreerde fotonica voor telecomtoepassingen aan de TU Eindhoven. Die technologie leek ook nuttig voor de sensor waar Kat aan werkte. Om de benodigde functies op een fotonische chip geïntegreerd te krijgen, kon hij gebruik maken van de diensten van chipontwerper Ronald Broeke, tegenwoordig CEO van Bright Photonics. En voor de productie kon hij net als Bright een beroep doen op Smart Photonics, gevestigd in Eindhoven. De verpakking ontwikkelde hij zelf met zijn eigen mensen en dit resulteerde uiteindelijk in een nieuwe BV binnen zijn eigen Technobis Group: Technobis Fibre Technologies.
Op de radar van ASML
Het toepassen van de fotonische chip in het instrument dat hij samen met TNO had ontwikkeld en waarin deze de klassieke optica verving, bleek minstens even goede metingen op te leveren en was tien keer goedkoper te produceren. Dat resultaat viel op de radar van ASML, dat op zoek was naar sensoriek om ‘intrinsieke trillingen’ van de wafertafel in hun chipmachine te meten. De eis was om tot tienduizend keer nauwkeuriger te meten dan mogelijk was met bestaande instrumenten. Kat slaagde, een kritische succesfactor voor Technobis Fibre Technologies. ‘Succesvol pionieren kan natuurlijk alleen als je in je omgeving de organisaties en de mensen kunt vinden die die chip voor je kunnen ontwerpen of die de gieterij hebben om hem te produceren.’ Het Nederlandse hightech ecosysteem bood hem die omgeving.
Nieuwe onderneming
In dezelfde context startte hij na de verkoop van Technobis Group in 2019 een nieuwe veelbelovende onderneming: Amazec Photonics in OudKarspel. Deze startup wil een tool ontwikkelen voor zeer nauwkeurige detectie en kwantificering van hartfalen. Amazec heeft daarvoor de fotonische chips ontwikkeld samen met Ligentec, een Zwitsers bedrijf dat ook de PIC’s produceert. Maar de assemblage tot een werkende module zal weer in Nederland plaatsvinden, bij PhotonFirst , de nieuwe naam van Technobis Fibre Technologies. Technobis Hightech Solutions zal de eerste 10 voorseries medische instrumenten maken, zegt Kat.
Zodra Amazec Photonics de klinische tests heeft uitgevoerd en het instrument CE- en FDA-gecertificeerd is, komt er een ‘revolutionair’ meetinstrument van Nederlandse hightech op de medische markt. Voor de marketing kijkt Kat wel nadrukkelijk over de grens. ‘We gaan de komende jaren gebruiken om klinisch onderzoek te doen met gezonde vrijwilligers. Zodra we zover zijn dat we over de resultaten kunnen gaan publiceren, gaan we op zoek naar een bedrijf dat groot is in hartmonitoring en bereid is Amazec over te nemen’, aldus Kat, die deze exit over vier jaar gepland heeft.
Ecosysteem essentieel
Het Nederlandse hightech ecosysteem is ook belangrijk voor Arthur Blom van Surfix Diagnostics. ‘Dat is essentieel voor ons. We zijn van oorsprong een bedrijf dat specifieke organische nanocoatings ontwikkelt. Maar we zijn op weg om systeemleverancier te worden, van een innovatieve biosensor en van een apparaat om de sensor laagdrempelig uit te lezen. Hiervoor hebben we partners nodig, voor de uiteindelijke ontwikkeling, maakbaarheid en productietechnologieën van de sensor en de lezer. Maar ook voor financiering”, zegt de COO van de spin-off van Wageningen University & Research.
Biosensor
De biosensor is gebaseerd op een fotonische chip van siliciumnitride, legt hij uit. Daarop is een nanocoating aangebracht, zodat stoornisspecifieke receptormoleculen op de optische golfgeleider van de fotonische chip zich alleen daar hechten. Zie de receptormolecule als een slot waarop alleen de sleutel past van de complementaire biomarkermolecule – bijvoorbeeld van het antilichaam dat het immuunsysteem produceert als reactie op COVID. Als er sporen – sleutels – van aanwezig zijn in de urine of het bloed en in dat slot achterblijven, zal dat een effect hebben op de brekingsindex van het licht dat je door de golfgeleider stuurt. Software in een reader kan dat effect vervolgens vertalen in een diagnose. Bijvoorbeeld dat de patiënt wel of geen blaaskanker heeft”, zegt hij en illustreert dit aan de hand van het veld waarin Surfix samenwerkt met Qurin, dat gespecialiseerd is in het ontwikkelen van biomarkers om blaaskanker en andere aandoeningen te diagnosticeren.
Productie tegen lage kosten
Het doel van Surfix is om biosensoren te ontwikkelen die in grote aantallen en tegen lage kosten kunnen worden geproduceerd. Deze PIC’s zullen daarom, net als halfgeleiderchips, bij honderden op een wafer geproduceerd moeten kunnen worden. Uiteraard zonder de prestaties van die coating aan te tasten. Ook moeten de biosensoren geïntegreerd worden in microfluïdische cartridges.’
Dat hele productieproces is nog in ontwikkeling. Surfix is daarvoor nu fondsen aan het werven. ‘Dit is deeptech, technologie die ook de ontwikkeling van allerlei complexe hardware vereist. Dat maakt ons businessmodel per definitie kapitaalintensiever dan dat van softwarestartups.’ Surfix is momenteel bezig met een ronde waarin het minstens 10 miljoen euro hoopt op te halen, bij zowel private als publieke investeerders.
The Dutch High-Tech high-performance ecosysteem. You can request a copy from Link magazine: mireille.vanginkel@linkmagazine.nl
Als er eenmaal een betrouwbaar fabricageproces is ontwikkeld, is er een gieterij nodig met een behoorlijke capaciteit, zegt Blom. Hij is daarom enthousiast over het initiatief Chip Tech Twente. Dat cluster van Oost-Nederlandse halfgeleider- en fotonica-bedrijven wil een fotonica-gieterij bouwen op basis van LioniX’ SiN-TripleX®-platform dat Surfix ook gebruikt voor zijn biosensor.
Naast de ontwikkeling van de biosensoren, microfluïdische cartridges en het proces om ze op grote schaal te produceren, werkt Surfix ook aan een reader om die sensor eenvoudig, betrouwbaar en snel uit te lezen. Deze lezer kan dan bij de huisarts worden geplaatst, of zelfs bij de patiënt thuis. Het moet een universele reader worden die biosensoren kan lezen die zijn uitgerust met een verscheidenheid aan aandoeningsspecifieke biomoleculen. In principe is naast deze biomoleculen alleen de uitleessoftware afhankelijk van de aandoening. Surfix werkt daar ondertussen aan met een Duitse fabrikant van medisch-technologische apparatuur.
Om Point-of-Care producten op de markt te brengen wordt samenwerking gezocht met Nederlandse diagnostische bedrijven zoals Qurin. ‘Het idee is dat spelers die de diagnostische markt kennen onze producten op de markt gaan brengen’, zegt Blom. ‘Wij richten ons op de ontwikkeling en productie van biosensor, cartridge en reader, waarbij we de laatste zoveel mogelijk uitbesteden aan capabele partijen.’
