biomateriaalit

Hyvä kysymys: mitä kaikkea biokomposiiteista voi valmistaa?

To, 02/01/2018 - 20:49 Toimitus

Kansainvälinen FibreNet-hanke koettaa kehittää uusia työkaluja ja menetelmiä biokuituja sisältävien tuotteiden ominaisuuksien hallintaan. Kuiduilla on keskeinen rooli siinä, millaisia ominaisuuksia moniin arkipäiväisiin tuotteisiin voidaan kehittää.

Olennainen asia selluloosaan perustuvien biokuitujen mahdollisuuksien kehittämisessä on kuitujen mekaaninen määrittely eli karakterisointi. Tampereen teknillisessä yliopistossa kehitetty, robotiikkaa ja optista mikroskopiaa yhdistävä järjestelmä on tässä olennaisessa osassa.

FibreNet-konsortion ytimen muodostavat seitsemän eurooppalaista yliopistoa ja kahdeksan kuitualan yritystä.

"Tutkimus keskittyy nimenomaan biokuituihin, ei keinotekoisiin kuituihin kuten lasi- tai hiilikuituun", sanoo professori Pasi Kallio TTY:n biolääketieteen tekniikan tiedekunnasta. Hän toimii FibreNetin koordinaattorina.

"Kuitutuotteissa keskitymme erityisesti pakkausmateriaaleihin, biokomposiitteihin ja lääketieteellisiin tuotteisiin, kuten tasaisesti lääkeaineita luovuttaviin haavanhoitotuotteisiin sekä kudosteknologisiin sovelluksiin. Hankkeessa kehitettyjä menetelmiä voidaan hyödyntää useilla sovellusalueilla."

Tutkimushanke toteutetaan Tampereella väitöskirjaprojektien muodossa. Näitä on kaikkiaan 15.

"Jotta kaikki tavoitteet voidaan saavuttaa, jokaisessa FibreNet-hankkeessa keskitytään erilaisiin haasteisiin. Ne liittyvät muun muassa biokuitujen funktionalisointiin, karakterisointiin, mallintamiseen ja valmistamiseen. Tutkimus kattaa nano-, mikro- ja tuotantotason."

FibreNet on osa Marie Skłodowska-Curie -rahoitteisia eurooppalaisia koulutusverkostoja. Nämä EU-rahoitteiset Horizon 2020 -puiteohjelman ns. innovatiiviseen opetusverkostoon (ITN) kuuluvat projektit keskittyvät erityisesti akateemiselta iältään nuorien tutkijoiden uran buustaamiseen sekä tutkijaliikkuvuuteen.

"ITN-projektirahoitus on erittäin kilpailtua ja arvostettua", Kallio sanoo. 

"Vuoden 2017 haussa keskimääräinen onnistumisprosentti oli 6,8 prosentin luokkaa ja hakemuksia tuli yli 1700. Pärjäsimme kovassa kilpailussa." 

Hankkeen rahoitusmuodosta johtuen Suomeen palkataan tutkijat Suomen ulkopuolelta. Suomessa opiskelleilla puolestaan on mahdollisuus hakea hankkeen yhtätoista muualla Euroopassa avattua paikkaa.

Kolmevuotiset tohtorikoulutettavan paikat ovat nyt avoinna. Suomeen palkataan neljä tutkijaa: kolme TTY:lle ja yksi Kemiralle.

"Kyseessä on ainutlaatuinen tilaisuus rakentaa ammatillisia verkostoja, tutustua sekä teollisuuden että akateemisen maailman toimintatapoihin tutkimuksessa ja ansaita tohtorin tutkinto biokuitujen alalla", Kallio toteaa. 

FibreNetin avoimet paikat hakuohjeineen löytyvät hankkeen sivuilta. TTY:n avoimet paikat ovat materiaaliopin laboratoriossa sekä mikro- ja nanosysteemien tutkimusryhmässä.

*

Juttu perustuu Tampereen teknillisen yliopiston tiedotteeseen, jonka on jättänyt Sanna Kähkönen.

Video: Hélder Santos tekee täsmätoimituslääkkeitä huokoisesta piistä

Tämänvuotinen Suomen Akatemian Akatemiapalkinto yhteiskunnallisesta vaikuttavuudesta annettiin viime torstaina portugalilaissyntyiselle, Helsingin yliopiston Viikin kampuksella apulaisprofessorina toimivalle dosentille, akatemiatutkija Hélder Santosille.

Hän on erikoistunut työryhmineen lääketieteelliseen nanoteknologiaan – monitieteelliseen tutkimukseen, jonka tavoitteena on kehittää uudenlaisia täsmälääkkeitä.

“Olen pohjimmiltani kemisti, sillä kiinnostuin siitä jo nuorena ja menin lukemaan alaa Porton yliopistoon”, kertoo Hélder.

Hän valmistui sieltä vuonna 2003, minkä jälkeen hän halusi erikoistua fysikaaliseen kemiaan, eli katsomaan kemiaa fyysikon näkökulmista ja fysiikan menetelmin.

Koska tämä ei ollut mahdollista Portossa, hän etsi sopivia yliopistoja, ja päätyi Suomeen, Aalto-yliopistoon. Vuonna 2003 se tosin oli vielä Teknillinen korkeakoulu. Viiden vuoden puristuksen jälkeen hän valmistui sieltä tohtoriksi vuonna 2007.

Sopiva tohtoritutkijan paikka löytyi Otaniemen sijaan Viikistä, Helsingin yliopiston Farmaseuttisen kemian ja teknologian osastolta.

Siellä Hélderin ura eteni raketin lailla, hänestä tuli vuonna 2009 akatemiatutkija ja nyt hänellä on nimeään kantava tutkimusryhmä.

“Yhdistämme työssämme siis kahta eri asiaa, lääketiedettä ja nanoteknologiaa”, selittää Hélder. “Teemme pieniä, huokoisia nanokokoisia kappaleita, jotka pystyvät toimittamaan lääkeainetta kehossamme juuri oikeaan paikkaan ja oikeaan aikaan – ja häviämään sen jälkeen kun ne ovat tehneet tehtävänsä.”

Hélder vertaa piistä rakennettuja nanopartikkeleitaan sokeripalaan: siihen laitetaan lääkeainetta, joka imeytyy sokeriin, ja sen jälkeen sokeripala itse sulaa pois, kun se on tehnyt tehtävänsä.

Nykyisin lääkkeet leviävät normaalisti tasaisesti joka puolelle kehoa, joten esimerkiksi maksaan vaikuttava lääkeaine vaikuttaa myös ihoon. Tämä voi saada aikaan sivuvaikutuksia, tai ainakin heikentää lääkkeen tehoa. Mikäli lääkeaine voitaisiin toimittaa vain siihen paikkaan, missä sen tulee vaikuttaa, voitaisiin käyttää uudenlaisia, parempia lääkeaineita, ja niitä tarvittaisiin vähemmän.

Lääkkeiden lisäksi merkkiaineiden täsmätoimituksella elimistön sisällä on suuri merkitys lääketieteelliselle kuvantamiselle – tulokset olisivat tarkempia, hinta putoaisi ja potilaan mukavuus paranisi sekä mahdolliset haittavaikutukset vähenisivät.

Kummastakin on erityistä hyötyä syöpien hoidossa, kun kuvannus ja lääkitseminen voidaan kohdentaa suoraan kasvainkudokseen.

“Pyrimme valmistamaan piistä juuri sopivanlaisia nanokokoisia kappaleita, jotta tietynlaiset lääke- tai merkkiaineet voivat kiinnittyä niihin. Niiden muodon ja koon tulee olla siis juuri sopivia, ja niiden rakenteen huokoinen.”

Nanokokoinen tarkoittaa noin 400 kertaa hiuksen paksuutta pienempää, eli kooltaan alle 200 nanometriä olevia kappaleita.

“Työmme on hyvin monitieteellistä, sillä tarvitsemme materiaalitieteilijöitä kehittämään ainetta, joka on huokoista ja liukenevaa; lääketieteilijöitä, jotka tekevät lääkkeen; sekä insinöörejä, jotka pystyvät yhdistämään nämä kaksi maailmaa.”

Hélder saa Akatemiapalkinnon yhteiskunnallisesta vaikuttavuudesta, koska hänen tutkimusryhmänsä kehittämällä tekniikalla voi olla hyvinkin suuria yhteiskunnallisia vaikutuksia. Lääkkeiden täsmätoimitus pelastaa ihmishenkiä, parantaa monien ihmisten elämän laatua ja vähentää hoitojen kustannuksia.

“Lisäksi lääkkeet tulevaisuudessa voivat olla henkilökohtaisesti suunniteltuja, jolloin ne toimivat parhaalla mahdollisella tavalla. Voit vain mennä apteekkiin, ja he antavat juuri sinulle suunniteltuja, täsmäkohdentuvia nanotekniikkaan perustuvia lääkkeitä.”

Viime aikoina tutkimusryhmäänsä johtava Hélder ei ole juurikaan tekemään itse tutkimusta, mutta hän ei valita. Hänen ryhmäänsä pyritään joka puolelta maailmaa, ja hän saa useita hakemuksia joka päivä – ja koska hän voi valita mielestään parhaimpia, on ryhmä hyvin kansainvälinen. Joukkoon mahtuu itse asiassa vain yksi suomalainen.

Tieto Akatemiapalkinnosta tuli Hélderille yllätyksenä: “Olen hyvin kiitollinen tästä huomionosoituksesta, mutta pitää muistaa, että me olemme tiimi. Tämä palkinto kuuluu kaikille täällä Viikin kampuksella!”

Tiedetuubin Jari Mäkinen on tehnyt yllä olevan esittelyvideon Suomen Akatemialle.

Mahtava idea: kevyttä ja kestävää hiilikuitua voi tehdä puusta

Ti, 09/20/2016 - 12:22 Toimitus

Tässä on jälleen hyvä esimerkki siitä, miten perinteistä suomalaista teollisuutta voidaan kääntää katsomaan tulevaisuuteen: puu on erinomainen materiaali moneen käyttöön sellaisenaan, mutta siitä voidaan tehdä myös hiilikuitua – superkestävää ainetta, jonka käyttö lisääntyy koko ajan.

Hiilikuitua ja hiilikuitumateriaaleilla vahvistettuja muoveja käytetään nykyisin joka puolella urheiluvälineistä autoihin, lentokoneisiin ja avaruusaluksiin. Hiilikuitu on kevyttä ja kestävää, joten se on erinomainen materiaali esimerkiksi liikennevälineisiin, koska niistä saadaan kevyempiä ja siten ne kuluttavat vähemmän polttoainetta.

Ongelmana on kuitenkin se, että hiilikuidut ovat kalliita ja niitä valmistetaan öljypohjaisista aineista. Mikäli hiilikuituja voitaisiin valmistaa edullisemmin ja vielä uusiutuvista raaka-aineista, olisi tilanne erinomainen.

Nyt se on mahdollista: Aalto-yliopiston tutkijatohtori Michael Hummel kehittää menetelmää, jolla puusta voidaan valmistaa teollisesti korkealaatuisia hiilikuituja. Hän sai tutkimukselleen viisivuotisen noin 1,5 miljoonan Starting Grant -rahoituksen Euroopan tutkimusneuvostolta (ERC).

Idea on se, että kun perinteisesti hiilikuituja on tehty pääosin synteettisestä polyakrylonitriili-nimisestä (PAN) polymeeristä, voidaan nyt raaka-aineina käyttää puusta erotettua selluloosaa tai ligniiniä.

"Aikaisemmin niihin pohjautuvat hiilikuidut eivät ole kelvanneet teollisuuden käyttöön, mutta teknologiamme ansiosta voimme valmistaa nämä molemmat puun komponentit yhdistävää hybridikuitua hiilikuidun materiaaliksi", selittää Hummel.

"Se on paitsi PAN:ta edullisempi myös ekologisempi vaihtoehto, koska valmistusprosessi vie vähemmän energiaa ja kemikaaleja eikä uusiutuva materiaali kuluta maapallon öljyvaroja." 

Hiilikuitujen laatua mitataan muun muassa vetolujuudella, eli kuinka suuren voiman ne kestävät ennen rikkoontumista. Tässä suhteessa puupohjaiset hiilikuidut ovat hieman altavastaajina verrattuna perinteisiin hiilikuituihin, mutta ominaisuudet riittävät erinomaisesti mm. autoteollisuuden ja urheiluvälinevalmistajien tarpeisiin.

Hummelin työryhmän tavoitteena on 2 GPa:n vetolujuus ja 200 GPa:n kimmokerroin.

Michael Hummel
Michael Hummel (Kuva: Aalto-yliopisto / Mikko Raskinen)

Kehräysteknologia on avainroolissa

Hybridikuitu tehdään Aalto-yliopiston professori Herbert Sixtan tutkimusryhmän Ioncell-F-kehräysteknologialla, jolla on aikaisemmin valmistettu laadukkaita tekstiilikuituja selluloosasta ja kierrätysmateriaaleista. Ioncell-F:ssä biomassa liuotetaan ensin Helsingin yliopiston professori Ilkka Kilpeläisen kehittämässä myrkyttömässä liuottimessa, minkä jälkeen liuos puristetaan märkäkehruumenetelmällä suuttimien läpi ohuiksi, jatkuviksi kuiduiksi.

"Kun aloitimme Ioncell-F:n kanssa, emme vielä osanneet ennakoida liuottimen potentiaalia", selittää Hummel. 

"ERC-hankkeen alussa yhdistämme hybridikuituun selluloosaa ja ligniiniä ymmärtääksemme näiden kahden polymeerin vuorovaikutuksen. Myöhemmin tavoite on pystyä käyttämään puun rakenneosia lähes niiden alkuperäisessä muodossa, mikä vähentää hiilikuidun valmistukseen kuluvaa energiaa ja ympäristövaikutuksia entisestään."

Kehräämisen jälkeen kuidut siirretään uuneihin, joissa ne kuumennetaan hitaasti 1500 celsiusasteeseen. Prosessia kutsutaan hiillytykseksi, ja sen tuloksena jäljelle jää puhdasta hiiltä, joka muodostaa äärimmäisen vahvan kemiallisen rakenteen.

"Teemme hankkeessa yhteistyötä australialaisen Deakinin yliopiston kanssa. Heillä on käytössään useita erikokoisia hiillytyslinjoja ja hyviä kontakteja sopiviin teollisuuspartnereihin, mikä auttaa meitä saamaan nopeaa palautetta puupohjaisen hiilikuidun mahdollisuuksista".

Uutinen perustuu Aalto-yliopiston tiedotteeseen.

Uimaveden sinilevä paljastuu biohajoavalla pikatestillä

Ti, 06/14/2016 - 14:47 Toimitus
Sinilevätesti

VTT ja Turun yliopisto ovat yhdessä kehittäneet helppokäyttöisen ja edullisen sinilevätestin. Sen avulla myös kuluttaja voi varmistaa, että hänen uima- tai mökkirantansa vesi ei sisällä sinilevämyrkkyjä. Biohajoavalle pikatestille etsitään nyt kaupallistajaa.

Jokakesäinen sinileväesiintymien tarkkailu on taas alkanut uimavesien lämmettyä. Myrkkyjä esiintyy noin joka toisessa sinileväesiintymässä, eikä silmämääräisellä tarkastelulla pysty arvioimaan, onko vedessä oleva sinilevä myrkyllistä vai ei.

Apuun tulee nyt kuitenkin yksinkertainen ja luontoystävällinen apu: biohajoava sinilevätesti.

"Vedessä saattaa olla vielä sinileväesiintymän kadottuakin myrkkyjä jonkun aikaa", sanoo tutkija Markus Vehniäinen Turun yliopistosta. 

"Testillä voidaan nopeasti varmistaa, että vettä voi näiltä osin turvallisesti käyttää." 

Massavalmistukseen soveltuva, pankkikortin kokoinen sinilevätesti sopii sekä kuluttaja- että viranomaiskäyttöön. Kertakäyttöinen ja paperipohjainen pikatesti tunnistaa vedestä yleisimpien sinilevämyrkkyjen, kuten mikrokystiinin ja nodulariinin, esiintymisen.

"Sinilevätesti tarvitsee toimiakseen vain muutaman pisaran vettä ja ilmoittaa tuloksen viidentoista minuutin kuluttua", selittää erikoistutkija Liisa Hakola VTT:ltä.

"Jos näyttöön ilmestyy kaksi punaista viivaa, vedessä on sinilevämyrkkyä. Yksi viiva merkitsee myrkytöntä vesinäytettä."

VTT:n ja Turun yliopiston yhteishankkeessa on haluttu vastata kuluttajien tarpeeseen saada ajankohtaista tietoa oman vesistönsä tilasta edullisesti, nopeasti ja helposti.

Automatisoituun testialustaan siirrettynä nyt kehitetty määritys soveltuisi suoraan myös erityistä mittausherkkyyttä vaativiin sovelluksiin, kuten juomavesien testaamiseen maailmanlaajuisesti.

Sinilevätesti on kehitetty osana Tekesin rahoittamaa Tutkimusideoista uutta tietoa ja liiketoimintaa projektia. Testi on todettu toimivaksi myös luonnonvesinäytteillä ja sille etsitään parhaillaan kaupallistavaa yritystä, jotta testi saataisiin kuluttajien saataville.

Suomen ympäristökeskuksen julkaisema valtakunnallinen levätiedote kertoo yleiskuvan vesiemme tilasta ja Järviwiki vesistöjen tasolla sinilevien esiintymisestä. Tätä tarkempaa tietoa veden laadusta ei aiemmin ole ollut saatavilla. 

Juttu perustuu Turun ylipiston lähettämään tiedotteeseen.

Solu on kuin teltta

Pe, 08/28/2015 - 11:12 Jari Mäkinen

Solut, joista me muodostumme – samoin kuin kaikki eläimet ja kasvit koostuvat – ovat paitsi biologiaa ja kemiaa, niin myös mekaniikkaa: soluilla on kiinteä rakenne, ja tuoreen tutkimuksen mukaan se on olennaisesti aiemmin oletettua monimutkaisempaa.

Tampereen yliopiston BioMediTechissä toimivan Suomen Akatemian tutkijatohtori Teemu Ihalaisen yhdessä kansainvälisen tutkijaryhmän kanssa saamat yllättävät tulokset on julkaistu tällä viikolla Nature Materialsin verkkojulkaisussa.

Tutkimuksessa havaittiin ensimmäistä kertaa, että solutumaan välittyvä solun tukirangan jännitys muuttaa tuman sisäpinnan rakenteita. Nämä samat rakenteet sitovat geneettistä materiaalia, kromatiinia ja siten mekaanisella signaalilla on suoraan mahdollisuus vaikuttaa kromatiinin rakenteeseen ja geenien luentaan.

”Vertauskuvallisesti voidaan ajatella, että jos solu on teltta ja telttaa pystyssä pitävät narut ovat solun tukirankaa, niin projektissa tekemäämme havaintoa mukaillen naruista nykiminen muuttaisi teltan keskelle asetetun repun tavaroiden järjestystä", selittää Ihalainen. 

"Havaitsimme myös, että tuman sisäpinta on jakautunut kahteen osaan, ala- ja yläpintaan, jotka ovat rakenteellisesti erilaisia."

Projekti oli alusta saakka hyvin poikkitieteellinen ja siinä yhdistyi solu- ja molekyylibiologia sekä biomateriaalien tutkimus. Erilaisten biomateriaalien avulla manipuloitiin solujen mekaniikkaa, niiden jännitystä tai geometriaa. Kokeissa käytettiin hyväksi erilaisia pehmeitä solujen kasvatusalustoja (hydrogeelejä) tai esimerkiksi erilaisia ”mikrosaarekkeita”, joiden avulla soluja voitiin ohjata kasvamaan eri muotoihin. Soluja manipuloitiin mekaanisesti myös pehmeillä geelityynyillä. Kaikki menetelmät yhdistettiin korkean erotuskyvyn konfokaalimikroskopiaan, jonka avulla saatiin tarkkaa tietoa solujen rakenteista ja tuman toiminnasta.

Tähän asti on ajateltu, että solut aistivat niihin kohdistuvia voimia pääasiassa solukalvon läheisyydessä, pisteissä joissa solu kiinnittyy ympäristöönsä.

”Projektissa halusimme tutkia, miten syvällä solun sisällä voiman aistimus voi tapahtua. Tästä syystä keskityimme solun tuman toimintaan ja sen muutoksiin erilaisissa olosuhteissa. Solun tuma pitää sisällään solun geneettisen materiaalin ja lähivuosina on selvinnyt, että tuma on kiinnittynyt solun tukirankaan. Tämä kiinnittyminen mahdollistaa suoran mekaanisen jännityksen välittymisen solun pinnasta aina tumaan saakka. Jos mekaaninen voima pystyisi muuttamaan tuman rakenteita, se voisi vaikuttaa myös geenien luentaan ja sitä kautta solun toimintaan.”

Solut pystyvät kehittämään monimutkaisen solutukirankansa avulla mekaanisia voimia. Tämä soluissa syntynyt mekaaninen jännitys voi välittyä suoraan soluista soluihin tai epäsuorasti solujen välillä soluväliaineen kautta. Näiden lisäksi soluihin kohdistuu muita voimia kuten leikkausvoimia ja osmoottisista ilmiöistä muodostuvaa painetta.

Nykyisin tiedetään, että solut pystyvät aistimaan niihin kohdistuvia mekaanisia voimia sekä ympäristönsä fysikaalisia ominaisuuksia kuten jäykkyyttä ja elastisuutta. Nämä ”mekaaniset signaalit” vaikuttavat solujen toimintaan, kuten kantasolujen erilaistumiseen, alkion kehitykseen ja syövän syntyyn.

”Tällä hetkellä emme kuitenkaan ymmärrä tämän niin kutsutun mekanotransduktion yksityiskohtia, esimerkiksi sitä, millä mekanismilla mekaaninen voima voi vaikuttaa vaikkapa geenien luentaan. Prosessin yksityiskohtainen ymmärtäminen on laaja-alaisesti tärkeää ja helpottaisi huomattavasti esimerkiksi biomateriaalien kehittämistä sekä niiden soveltamista mm. kantasoluteknologiassa”, selittää Ihalainen.

Juttu perustuu Suomen Akatemian lähettämään tiedotteeseen.