2.11.2021
Vad har ett träd, en skrivare och vävnadsstruktur för ett implantat gemensamt? Ganska mycket, om du frågar Chunlin Xu. Han forskar i att ta fram metoder för att 3D-utskrifter av hållbara materialalternativ från skogen ska kunna ersätta en del animaliska och syntetiska produkter inom läkemedelsindustrin.
Vi tar det från början. Träets huvudsakliga beståndsdelar är lignin, cellulosa och hemicellulosa. De här ämnena kan man utvinna ur träflis som blir över från exempelvis pappersindustrin. Lignin kan liknas vid ett lim och kan användas exempelvis då man tillverkar bioplaster. Cellulosa och hemicellulosa kan användas exempelvis för att rena vatten från tungmetaller eller organiska föroreningar eller som ingredienser för att göra förpackningsmaterial töjbara. Alla de här områdena forskar man i vid Åbo Akademi.
Chunlin Xu och hans team har tagit fokus på ytterligare ett annat område där man kan utnyttja cellulosan, nämligen som material för 3D-utskrift. Själva idén med 3D-utskrivning är inget nytt. Redan för omkring tio år sedan kom den första forskningsboomen inom det här området, och om några år kanske användningen av 3D-skrivare är standardiserad inom vissa industrier, till exempel inom läkemedelsindustrin. Det är det här området Xu och hans team fokuserar på. Forskning har nämligen visat att man kan använda cellulosa i nanostorlek då man skapar artificiell vävnadsrekonstruktion exempelvis för organ som kan transplanteras.
Fokus på hållbara material för 3D-skrivare
Xu och hans team har utvecklat flera olika applikationer som gör det möjligt för 3D –skrivare att använda cellulosa som utskriftsmaterial. Ett exempel på det här är tredimensionella utskrifter av stödstrukturer för vävnader baserade på biopolymerer. Sådana kan användas inom läkemedelsscreening för att forskarna ska kunna studera hur cellerna beter sig, samverkar och hur de sedan blir till vävnad.
Ett annat exempel är möjligheten att skriva ut en sorts hydrogeler för att behandla sår. Utskrifterna ser då fysiskt ut som formen på såren och kan laddas med olika läkemedel eller olika tillväxtfaktorer som kan främja och påskynda läkningsprocessen. Ytterligare ett område där 3D-utskrifter med naturliga materialalternativ kan komma att bli stort är kosmetikaindustrin, och i nuläget främst för den asiatiska marknaden där efterfrågan på kosmetiska implantat är förhållandevis stor.
– Det finns många nya områden där vävnadsteknik kan användas när man vill ha anpassade objekt. Till exempel har många människor problem med tandgnissling vilket gör att tänderna nöts. Tänk om man bara kunde scanna av tänderna och skriva ut de delar som behöver repareras, i stället för de obehagliga metoder som används i dag där patienten ska bita ihop i för avgjutning av käken flera minuter. Också på läkarsidan finns flera applikationer som är användbara när man vill visualisera organ. Tänk dig att kirurgerna före en operation kan skriva ut hur organen ser ut, skanna människokroppen och hittar lösningar på basis av utskriften. Eller hur kan till exempel cancervävnader se ut, säger Chunlin Xu som är professor i de förnybara materialens kemi vid Åbo Akademi.
Fördelar och utmaningar
Vilka är då fördelarna med att använda nanocellulosa i stället för djur- eller syntetiska material som man traditionellt gjort? De är flera, menar Xu.
– Om man använder vävnad från djurvärlden vid transplantationer finns det alltid en risk att man överför sjukdomar, något vi helt kan undvika genom att använda rena naturmaterial. Om vi använder 3D -utskrift för att utveckla medicinska stödstrukturer av naturliga biopolymerer för att stimulera den naturliga vävnaden öppnar det för ett helt annat sätt att utföra en del test. I klarspråk betyder det att man inte behöver gå till djuren för att göra många experiment. Dessutom tillåter metoden att man gör enskilda modeller med materialen. Nanocellulosa är dessutom förnybar och helt nedbrytbar av naturen.
En annan fördel är kostnaden: det är billigare att använda naturmaterial än material från djurvärlden. Till exempel kollagen som ofta används för elasticitet inom exempelvis läkemedels- och kosmetikaindustrin består till stor del av gelatin. Det är riktigt dyrt eftersom det behöver bearbetas och renas. Cellulosan erbjuder ett fullgott alternativ som dessutom är tillgängligt i stora mängder.
Men det finns förstås också faktorer som saktar ner utvecklingen. Xu ser två huvudsakliga utmaningar för användningen av naturmaterial inom den medicinska industrin: den allmänna skepsisen gällande ett nytt material, och regleringen av marknaden.
– En vanlig uppfattning är att material som kommer från naturen är djurmat, inte material som ska användas för att ersätta delar i mänskliga kroppar. Att övertyga industrin om fördelarna med naturmaterialen, i det här fallet cellulosa, är en enorm utmaning. Sedan behöver vi också brottas med de medicinska certifieringarna och regleringarna på den europeiska marknaden, men som tur finns här krafter som redan arbetar med att driva utvecklingen i rätt riktning. Jag upplever själv att 3D- utskrift är ett verktyg som erbjuder enorma möjligheter. Det naturliga materialet är något av en gåva från naturen och att det är förnybart är en enorm fördel jämfört med exempelvis syntetiska polymerer som vi hittar i mycket av den plast vi använder dagligen.
En tredje utmaning är den ekonomiska. Finland sitter på enorma resurser då det kommer till skog och biomassa. De här tillgångarna kommer att spela en viktig roll i framtidens bioekonomi och cirkulära ekonomi, därför vore det viktigt att höja värdet på de produkter vi kan utvinna ur skogen. Den sista pusselbiten för att ta forskningen framåt är finansiering.
– Nyckeln till all forskningsframgång är finansiering och samarbete. Jag har haft turen att komma till ett litet universitet där vi kan samarbeta inom fakulteten, och vi har dessutom lyckats hitta väldigt bra samarbetsparter ute i världen. Medan vår forskning vid Åbo Akademi bland annat handlar om att ta fram tredimensionella stödstrukturer som man sedan kan odla celler på behövs skräddarsydda lösningar till exempel för själva 3D-skrivaren. Det här är våra partner vid universitetet i Wollongong i Australien duktiga på. Vi samarbetar också med Tammerfors universitet och söker hela tiden nya samarbetsparter som kan ta forskningen vidare. Utan samarbete kommer vi ingen vart.
Vad blir nästa steg i din forskning?
– Nästa steg är mer samarbete med slutanvändarna och med forskningspartnerna inom cellbiologi och farmaci. Vi har ett bra material och jag tror att vi kommer att få en ännu starkare stödjande roll i arbetet där våra samarbetsparter har möjligheten att validera i de olika applikationerna. Här blir vår viktigaste uppgift att hjälpa dem att använda våra material för att sedan skräddarsy materialegenskaperna och identifiera i vilka sammanhang de inte fungerar. Även om vi nog aldrig kommer att kunna ersätta de syntetiska polymererna helt och hållet kan vi ändå hitta nya användningsområden där naturliga polymerer kan ta över. Det kan föra utvecklingen i en positiv riktning både vad gäller natur, miljö och samhälle.
Fakta: Teknologier för en hållbar framtid
- Åbo Akademi har fyra forskningsprofiler, varav Teknologier för en hållbar framtid är en. Profilen är mångvetenskaplig och har som mål att finna tekniska lösningar som kan hejda den pågående klimatförändringen och bidra till en ren miljö och ett hållbart samhälle.
- Inom forskningsprofilen utvecklas metoder och teknik som stöder övergången till hållbar produktion och energiförsörjning. Speciellt fokus läggs på att utveckla ny teknologi för att ersätta fossila råvaror med förnybara resurser såsom biomassa och solenergi.
- Finland, med sina stora skogsresurser och världsledande företag, har en unik möjlighet att inta en ledande roll i hur man kan utnyttja molekyler från biomassa för att ersätta fossila råmaterial.
- Även för utvecklingen av nya billiga och miljövänliga material för solceller är potentialen enorm: endast 0,01 % av solenergin som når jordens yta skulle räcka till för att täcka hela världens energibehov.
- Profilområdets styrka ligger i en slagkraftig kombination av djupt kunnande inom naturvetenskap, kemiteknik samt process- och energiteknik.
Klicka här för att läsa mera om forskningsprofilen och hur du kan bidra.