Oöverträffad i styrka och seghet

Spindelväv, benvävnad och pärlemor är suveräna material om man ser till hur väl strukturen är anpassad till funktionen. Forskarna blir allt mer intresserade att härma naturens egna uppfinningar.Skyddskläder i arbetslivet, krockkuddar och skottsäkra västar av spindeltråd. Det låter kanske underligt, men faktum är att spindeltråd skulle lämpa sig särdeles väl för just sådana ändamål bara materialet fanns att tillgå.Naturens superfiberSpindeltråden är starkare än ståltråd och samtidigt mer töjbar än nylontråd. Styrka och styvhet kombinerad med töjbarhet gör materialet segt. Rent tekniskt talar man om hög brottenergi, vilket betyder att materialet kan ta upp mycket energi utan att gå sönder. Ett material med sådana egenskaper är eftertraktat i många olika sammanhang.Men det har varit svårt att tillverka spindeltråd i tillräckligt stora mängder. Det första försöket gjordes på en spindelfarm i Frankrike i början av 1900-talet. Spindlarna var dock inte särskilt samarbetsvilliga, och det hela slutade tyvärr i fiasko. Med modern molekylärbilogi kan bakterier nu tas till hjälp. Genom att överföra gener från spindlar till bakterier har man lyckats få bakterier att tillverka samma proteiner som spindeln använder som byggstenar för sin tråd. Gener för spindeltrådsproteiner har också med framgång överförts till getter för att sedan utvinnas ur getmjölken. Dessa s k silkesproteiner uppträder som flytande kristaller strax innan de lämnar spindelns kropp. De långa proteinmolekylerna bildar då en trögflytande vätska där molekylerna ligger välordnade och utsträckta intill varandra. Tråden bildas genom att vätskan pressas ut genom spinnvårtorna på bakkroppen (bild 3). Det sker under skjuvning, vilket innebär att molekylerna orienteras. Graden av skjuvning påverkar trådens egenskaper. Den tråd som utgör spindelnätets ram och fästen innehåller mer kristallina partier och är starkare än de mer elastiska trådarna inne i nätet där bytet fastnar (bild 2). Dessa sista steg vid tillverkningen av spindelsilke studerar nu forskarna med stort intresse för att lära av spindeln hur det går till att spinna tråd med skräddarsydda egenskaper. Försöken att producera silkesproteiner har inneburit början på en mycket spännande epok i materialteknikens historia; framställningen av biomimetiska material – material som härmar naturen. Det är också inom forskningen om silkesproteiner som man har kommit längst när det gäller tillämpningarna. Många framstående forskargrupper främst i USA ägnar sig åt att undersöka spindelsilke. Redan om ett par år kan sytråd för kirurger, s k sutur, av detta material finnas på marknaden. Pärlemor ger musslan skyddAtt tillverka proteiner, som t ex spindelsilke, är emellertid en energikrävande process. De flesta livsformer använder därför protein mycket sparsamt i konstruktionsmaterial. I skelett och skal är mineraler vanliga komponenter.Musslor använder kalciumkarbonat i sina skal (bild 3). Där förekommer det i två former, kalcit och aragonit. Kalcitkristallerna bidrar till skalens hårdhet, men materialet är samtidigt så sprött att det inte ensamt förmår skydda musslans kropp. En krabbklo skulle med lätthet krossa ett skal bestående av enbart kalcit.För att öka skalets skyddande förmåga behövs pärlemor som tillför materialet seghet. Pärlemorskiktets kombination av hårdhet och seghet är unik med tanke på materialets höga halt av oorganiskt material. Över 90 procent består av platta aragonitkristaller som binds ihop av ett organiskt material, en s k matris (bild 5). Kristallerna ger pärlemorskiktet dess hårdhet, medan matrisen bidrar till segheten. Matrisen består huvudsakligen av proteiner och polysackarider, dvs stora sockermolekyler. Pärlemor kan liknas vid murat tegel där aragonitkristallerna är teglet och det organiska matrisen murbruket. Matrisen är konstfullt sammansatt av lager på lager av hårt veckade proteiner som binds samman av kitin, som är stora rustika sockermolekyler. Ett proteinlager närmast musslans kropp är rikt på sura grupper som binder kalcium från vattnet. Från dessa ställen på ytan börjar kalciumkristallerna växa ut och fylla matrisens hålrum.Pärlemor är ett perfekt kompositmaterial, dvs ett material som består av flera komponenter och som har andra egenskaper än de enskilda komponenterna var för sig. Genom att studera pärlemor och dess mikrostruktur hoppas forskare vid bl a University of California i Santa Barbara att kunna konstruera liknande material. Två vägar prövas. Den ena är att ta biologin till hjälp och lära sig utnyttja och styra den process hos musslan som gör att aragonitkristallerna byggs in i en matris. Den andra vägen är att försöka framställa helt syntetiska material genom att imitera processen. Tänkbara tillämpningar är bl a inom försvarssektorn för att framställa mycket hållbara ytbeläggningar. För vem har sagt att pärlor behöver vara runda?Musslor intresserar oss som arbetar med biomimetiska material också på andra sätt. De hör till en grupp livsformer i havet – liksom havstulpaner – som har valt att fånga maten när den passerar i stället för att simma efter den. För sin överlevnad är både musslor och havstulpaner helt beroende av att kunna sätta sig fast på ytor, och de har utvecklat ett lim som fäster på alla typer av våta ytor, s k bioadhesiver. All vidhäftning som dessa marina djur är kapabla till sker alltså i närvaro av vatten och joner. Tekniska superlim är däremot beroende av en miljö som är fri från vatten för att härda.Att lära av havstulpanerHavstulpaner (bild 6) är ett stort problem för sjöfarten. De koloniserar alla ytor under vattnet, även båtars skrov, och de skrovliga ytorna gör att friktionen ökar och att det går åt mycket mer bränsle. Genom bättre kunskap om hur naturen går till väga för att skapa havstulpanernas superstarka lim hoppas vi kunna hitta på sätt att förhindra havstulpaner att sätta sig fast. En annan viktig aspekt av forskningen om bioadhesion handlar om att utveckla lim för medicinska ändamål. Kroppens vätskor är nämligen i många avseenden mycket lika den marina miljön. En tänkbar användning är lim för att klistra ihop vävnader. En annan är att styra celler vid återbildning av vävnader. Om en yta beläggs med limproteiner kommer cellerna, när de delar sig, att vara starkt bundna till ytan. Celler av olika slag kan på detta sätt ledas till sådana ställen i skadade organ där det behövs ny frisk vävnad.Själv leder jag forskning vid Chalmers tekniska högskola om hur limmet är sammansatt och vilka mekanismer som styr bildningen av limfogar. Vi samarbetar med amerikanska molekylärbiologer vid Tufts University utanför Boston i USA. De arbetar med att ”mjölka” havstulpanerna på lim och analysera sammansättningen. De försöker också klona gener från havstulpaner för att genom genteknik hitta vägar till industriell framställning av detta biologiska superlim. Havstulpanernas lim är oerhört mycket bättre än alla andra kända lim, och härdningen går mycket snabbt och dessutom under vatten!En glömd resursTrä, som sådant, är ett utmärkt material i många sammanhang. Men nu finns idéer om att kombinera de olika komponenterna i veden på skilda sätt för att därigenom skapa nya material med skäddarsydda egenskaper. Hos växter är det polymerer av stora sockermolekyler, dvs polysackarider, som ger vävnaderna struktur och styrka (bild 7). Vid papperstillverkning är cellulosa den polysackarid som används. Men cellulosa utgör bara cirka hälften av veden. Resten består av ungefär lika delar lignin och hemicellulosa som är en annan polysackarid. Hemicellulosa är egentligen ett samlingsnamn för en stor grupp komplext uppbyggda polysackarider (bild 8). Molekylerna är förgrenade och sammansatta av många olika slags enkla sockerarter som xylos, arabinos och glukos, till skillnad från cellulosamolekylerna som är oförgrenade och enbart består av glukos. Dessutom innehåller hemicellulosamolekylerna funktionella grupper, dvs förgreningar med olika kemiska egenskaper. Dessa grupper har viktiga fysiologiska funktioner i växterna som att styra cellulosamolekylernas orientering i växternas cellväggar. Genom växelverkan bildar cellulosa- och hemicellulosamolekylerna starka komplex. Man kan säga att hemicellulosa utgör bindemedlet som tillsammans med lignin håller ihop cellulosafiberna. Trots att hemicellulosa är så vanligt i naturen används den knappast alls industriellt. Men varför skulle man inte kunna skapa tekniska kompositmaterial med hemicellulosa som bindemedel? Den frågan ställer vi oss på Chalmers och samarbetar nu med en grupp forskare vid Biobased Materials Center vid Virginia Tech i USA för att undersöka möjligheterna.I vår forskning analyserar vi olika slags hemicellulosor, studerar deras sammansättning och struktur, och bygger om molekylerna med hjälp av enzymer. Vi studerar hur de olika molekylerna växelverkar med cellulosa och börjar skapa mer komplexa strukturer. Så småningom kan vi lära oss att tillverka fibrer, filmer och andra material med önskade egenskaper genom att kombinera olika former av hemicellulosa och cellulosa. Man kan tänka sig många spännande tilllämpningar av sådana miljövänliga kompositmaterial, t ex inom bilindustrin och vid framställningen av förpackningar och hygienprodukter.Benvävnad är ett annat intressant biologiskt material som vi gärna skulle vilja kunna tillverka. Det finns ett stort behov av medicinska implantat att använda vid benbrott och för att behandla benskörhet och andra sjukdomar som försvagar skelettet. Hjälp att återskapa benLiksom pärlemor består benvävnad (bild 9 och 10) av ett mineral som är inbakat i protein. Men i motsats till pärlemor innehåller ben levande celler. Mineralet består av små kristaller av hydroxyapatit i vilket kalcium, karbonat och fosfor ingår. Proteinet kallas kollagen. Två olika vägar prövas inom framtagningen av konstgjort ben, och i bägge fallen behövs ett fast implantat, en bärare där bencellerna kan fästa för att utföra sitt arbete med att nybilda ben. I det ena fallet behandlas patienten med tillväxtfaktorer som stimulerar bencellerna och i det andra använder man sig av stamceller som fästs vid implantatet innan det opereras på plats. Implantat av olika naturliga och syntetiska polymerer håller på att prövas ut. Bland dem kan polymjölksyra nämnas. Den dag vi har lärt oss att återskapa benvävnad i kroppen kommer vi att med all säkerhet framställa nya material som efterliknar strukturen hos ben. I framtiden blir det kanske möjligt att få tänder att växa i gommen för att ersätta tänder som saknas. Vår forskning på detta område sker i samarbete med forskare vid institutionen för Oral biokemi vid Göteborgs universitet. En nyhet på området är implantat av enbart hydroxyapatit, alltså bara mineral. Forskare vid ett företag i Massachusetts i USA har lyckats framställa en variant av hydroxyapatit som är lika starkt som stål och som kan formas efter behov till skruvar och annat. Hur framställningen går till är en företagshemlighet. Styrkan i materialet bygger på att kristallerna av hydroxyapatiten är jämnstora och ytterst små, omkring 100 nanometer. Materialet har en sådan struktur att bencellerna kan fästa vid det. Dessutom är kristallerna så små att cellerna kan ta in dem, smälta ner dem och använda sig av nedbrytningsprodukterna för att skapa nytt ben. Förnybart och miljövänligtBiologiska material är i många avseenden överlägsna de material som vi själva har skapat. De kombinerar egenskaper som seghet och styvhet på ett optimalt sätt samtidigt som de består av förnybara råvaror. Dessutom är biologiskt material ofta självreparerande och fungerar bra så länge de behövs. Medan industriellt framställda material tenderar att bli miljöbelastande sopor inlemmas de biologiska materialen i det naturliga kretsloppen.Paul Gatenholm Är professor i biopolymerteknologi på Chalmers tekniska högskola. Hans forskning finansieras av Vinnova, stiftelsen för strategisk forskning, Eus femte ramprogram, KK-stiftelsen Och en rad industriella sponsorer Med SCA i spetsen.Läs mer om naturen som förebild påwww.fof.se