‘Kunstmatig blad’ produceert voor het eerst medicijnen met zonlicht

4 september 2019

De technologie, die de potentie heeft de farmaceutische industrie sterk te verduurzamen, lijkt klaar voor commerciële opschaling.

image
De 'mini-reactor' in drie verschillende versies: rood, groen en blauw.

Medicijnen goedkoop en overal kunnen produceren, met zonlicht als energiebron. Die realiteit is dichterbij dan ooit nu chemici van de TU Eindhoven een ‘mini-reactor’ presenteren die, vergelijkbaar met bladeren in de natuur, zonlicht opvangt en hiermee chemische reacties aandrijft. Als ultieme demonstratie slaagden ze erin om met de reactor daadwerkelijk twee soorten medicijn te produceren, het antimalariamiddel artemisinine en ontwormingsmiddel ascaridol. In het blad Angewandte Chemie beschrijven ze hoe deze reactor eenvoudig opschaalbaar is, voor een breed pallet aan chemische reacties is in te zetten en onder wisselende weersomstandigheden een stabiele productie houdt. De technologie, die de potentie heeft de farmaceutische industrie sterk te verduurzamen, lijkt daarmee klaar voor commerciële opschaling.

De reactor die het team onder leiding van Timothy Noël nu presenteert bouwt voort op het kunstmatige blad dat ze presenteerden in 2016. Het blad deed iets waar chemici al tijden van droomden: met zonlicht chemische reacties laten plaatsvinden. Probleem was altijd dat het beschikbare zonlicht te weinig energie levert om reacties op gang te helpen. De onderzoekers slaagden er in dankzij een truc die ze afkeken van bladeren in de natuur. Net als hoe in een blad speciale moleculen energie uit zonlicht verzamelen gebruikten ze lichtgevoelige moleculen in een plak siliconenrubber (zogenoemde luminescent solar concentrators, of kortweg LSCs) om licht in het materiaal op te sluiten en in een specifieke lichtkleur om te zetten.

Vervolgens pompten ze vloeistoffen door zeer dunne kanaaltjes aangebracht in deze LSCs en kwamen zo in aanraking met dit licht. De combinatie van het opsluiten van licht en de microkanalen maakte dat de lichtintensiteit hoog genoeg was om de reacties te laten plaatsvinden. Dankzij een feedbacksysteem dat ze later toevoegden past de pompsnelheid zich aan op de hoeveelheid invallend zonlicht, waardoor een stabiele productie mogelijk is onder wisselende weersomstandigheden.

Overal waar je wilt medicijnen maken

In de reactor die het team nu presenteert is het siliconenrubber vervangen door PMMA (plexiglas). “Dit materiaal is goedkoper en makkelijk in grotere hoeveelheden te maken. Ook heeft het een hogere refractieve index, waardoor het licht beter opgesloten blijft”, vertelt onderzoeksleider Noël. “Maar het belangrijkste is dat we in PMMA meer soorten lichtgevoelige moleculen kunnen toevoegen. Daardoor zijn nu feitelijk alle chemische reacties over de hele breedte van het zichtbare lichtspectrum mogelijk.”

In de publicatie in Angewandte Chemie tonen ze de veelzijdigheid van de reactor door verschillende soorten chemische reacties ermee te volbrengen. Twee daarvan betreffen de productie van een medicijn: het antimalariamiddel artimesinine en ascaridol, een afweermiddel tegen parasitaire wormen. Daarmee lijkt de reactor klaar voor de praktijk. Bijvoorbeeld als lokale medicijnfabriek op moeilijk bereikbare plekken: malariamedicijnen in de jungle, en zelfs paracetamol op Mars behoort in theorie tot de mogelijkheden. “Met deze reactor kun je overal waar je wilt medicijnen maken”, aldus Noel. “Je hebt alleen zonlicht nodig en deze mini-fabriek.”

image
Timothy Noël.

Groene chemie

De reactor heeft het potentieel om een ernstig probleem van de farmaceutische industrie op te lossen: de toenemende druk om groener te produceren. De chemische reacties waarmee medicijnen worden geproduceerd vereisen momenteel giftige chemicaliën en veel energie in de vorm van fossiele brandstoffen. Bij gebruik van deze reactor kunnen dezelfde reacties duurzaam, goedkoop en in theorie talloze malen sneller gebeuren.

Noël: “Er zijn nauwelijks obstakels om deze technologie in de praktijk te brengen, behalve dat deze alleen bij daglicht werkt. De reactoren zijn makkelijk opschaalbaar, goedkoop en autonoom werkend, waardoor ze zeer geschikt zijn voor een kosteneffectieve productie van chemicaliën met zonne-energie. Ik ben daarom zeer positief dat we binnen een jaar een commerciële test van deze technologie moeten kunnen uitvoeren. We hopen op een partnerschap met een farmaceutisch bedrijf dat geïnteresseerd is om deze reis met ons voort te zetten.”

Referentie

Dario Cambié et al., Energy-efficient solar photochemistry with Luminescent Solar Concentrator-based photomicroreactors, Angewandte Chemie (6 augustus 2019).

Barry van der Meer
(Science Information Officer)