VTT:n tutkimusryhmä kehitti koivun selluloosasta ja proteiineista uuden nanokomposiitin ja valmisti siitä laboratoriossa hammasimplantin kruunuja yhdessä Nanyangin teknisen yliopiston kanssa. Tutkijat ottivat mallia luonnosta: sirkkaäyriäisten eturaajan lujasta rakenteesta. Uusi materiaali on vahvempi, kovempi ja selvästi kevyempi kuin hammaskruunuissa käytetty tekninen keramiikka. Sitä voitaisiin tulevaisuudessa käyttää esimerkiksi iskunkestävissä implanteissa, urheiluvälineissä, luotiliiveissä, ilma-alusten rungoissa tai tuulilasien pinnoituksissa.
Evoluution synnyttämät elämänmuodot ovat tutkijoille inspiraation lähde vahvojen materiaalien suunnittelussa. VTT:n tutkimusryhmä onnistui luomaan uuden iskunkestävän materiaalin, jota voidaan hyödyntää sovelluksissa, joiden pitää kestää toistuvia iskuja rakenteen kärsimättä.
Mineralisoitunut biokomposiitti muistuttaa sirkkaäyriäisen eturaajan rakennetta vahvuudeltaan, jäykkyydeltään ja iskunkestävyydeltään. Työn tulokset esiteltiin 1.9.2021 Advanced Materials -tiedejulkaisussa (DOI: 10.1002/ADMA.202102658).
Mallina sirkkaäyriäisten raajat
“Kiehtovat sirkkaäyriäiset ovat yksi tappavimmista luontokappaleista. Pieneen kokoonsa nähden niillä on eläinkunnan voimakkain isku. Ne murskaavat saaliinsa voimakkailla, nopeilla iskuilla vasaraa muistuttavilla eturaajoillaan”, kertoo VTT:n tutkija Dr. Pezhman Mohammadi. “Kovakuoriset merenelävät, kuten ravut, ovat sirkkaäyriäisten ensisijaista ravintoa. Päästäkseen käsiksi ravitsevaan sisukseen niiden on lävistettävä saaliidensa ulkoinen, kova tukiranka.”
Aiemmat tutkimukset ovat osoittaneet, että sirkkaäyriäisten raajat muodostuvat järjestäytyneestä, kerroksittaisesta nanokomposiittirakenteesta. ”Raajassa on pehmeä, iskuja vaimentava sisäkerros sekä kova ja iskunkestävä ulkokerros. Sisä- ja ulkokerros koostuvat samankaltaisista elementeistä, mutta niiden suhteellinen osuus, polymorfinen muoto ja järjestys vaihtelevat eri kerroksissa. Keskeisin elementti on kierteisesti järjestyneet kitiininanofibrillit, jotka kiinnittyvät toisiinsa proteiinien muodostaman matriisin avulla”, kertoo Mohammadi.
Komposiitti koostuu selluloosan nanokiteistä ja proteiineista
Tutkimusryhmä tuotti samankaltaisen rakenteen ja koosti uuden komposiitin selluloosan nanokiteistä ja kahdesta geenimuunnellusta proteiinista. Toinen proteiineista suunniteltiin lisäämään materiaalin lujuutta ja toinen edistämään hydroksiapatiittikiteiden muodostumista. Uudesta nanokomposiitista valmistettiin hammasimplanttien kruunuja, joiden rakenne muistuttaa ihmisten hampaita. Proteiineja muuntelemalla materiaaliin voidaan jatkossa tuoda uusia ominaisuuksia. Tulevat sovellukset edellyttävät valmistuksen skaalautuvuuden ja käsittelyprosessien kehittämistä.
Tutkimustiimiin kuului synteettisen biologian, proteiinimuokkauksen, materiaalitieteen ja pehmeiden aineiden fysiikan asiantuntijoita. Kaksi ja puoli vuotta kestänyt hanke toteutettiin VTT:n ja Jenny ja Antti Wihurin rahaston rahoituksella ja osana professori Merja Penttilän johtaman Centre for Young Synbio Scientists (CYSS) -ohjelman toimintaa.
MEDIAMATERIAALI
Kuvalähde: VTT
