Kemian keinoin luonnon polymeerejä biotalouteen ja lääketieteeseen

Teknillisinä rakenneaineina käytettävien synteettisten polymeerien lisäksi monet luonnon polymeerit ovat tärkeitä luonnon rakennusaineita. Aalto-yliopiston akatemiaprofessori Jukka Seppälä ja hänen ryhmänsä ovat keskittyneet polymeerien synteesiin sekä rakenteen ja ominaisuuksien välisten korrelaatioiden tutkimukseen. Viime aikoina tutkimuksen painopiste on siirtynyt yhä enemmän synteettisistä polymeereistä biopolymeerien suuntaan.

”Lääketieteellisten polymeerien tutkimus on meillä hyvin pitkäaikaista. Olemme yhteistyökumppaneidemme kanssa kehittäneet niitä sekä lääkeannosteluun että kudosteknologiaan tai kirurgisiksi biomateriaaleiksi”, kertoo Seppälä. Esimerkiksi lääkeaineissa olisi tietyissä tapauksissa edullista, että aktiivinen aine voitaisiin polymeerin avulla vapauttaa paikallisesti tai pitkällä aikavälillä. Paikallisessa kohdentamisessa lääke menisi juuri sinne, missä sitä tarvitaan, eikä jakautuisi koko elimistöön. Pitkällä aikavälillä vapautuva lääke taas vaikuttaisi koko hoitojakson ajan tasaisesti.

Polymeerit voivat näissä auttaa esimerkiksi polymeerikapseleiden muodossa tai seostamalla lääkeaine polymeerin joukkoon. Lääke voi vapautua esimerkiksi polymeerin läpi tapahtuvalla kulkeutumisella eli diffuusiolla tai polymeerin liukenemiseen perustuvalla mekanismilla. Kohdealueelle voidaan esimerkiksi sijoittaa implantti, josta lääke vapautuu. Seppälän tutkimuksissa on tehty myös mikropartikkeleita, jotka kiertävät verenkierrossa ja sitten ankkuroituvat kohteeseen, joka voi olla esimerkiksi syöpäkudos.

Seppälä korostaa, kuinka pitkä tie on perustutkimuksesta käytäntöön. Hänestä perustutkimuksen tekijän on kuitenkin tärkeätä ymmärtää, millaisiin yhteiskunnallisesti merkittäviin sovelluksiin tutkimus voi lopulta johtaa.” Meidän tapauksessamme se edellyttää pitkälle menevää polymeerien räätälöintiä ja polymeerikemian ymmärtämistä. Silloin me säätelemme niitä ominaisuuksia, joilla lopputuloksiin on mahdollista päästä.” Vuosien varrella Seppälä on tehnyt yhteistyötä lääketeollisuuden kanssa polymeeripohjaisen lääkeannostuksen kehittämisessä.

3D-teknologia olennainen osa tutkimusta

Seppälä on mukana kehittämässä keinotekoisten kudosten kasvattamista sekä kansallisten että kansainvälisten yhteistyökumppaneiden kanssa. Hänen ryhmänsä osuutena on ollut kehittää materiaaleja, jotka mahdollistavat hallittua solu- ja kudosviljelyä tai edesauttavat kudosten omaa paranemista. Sovellukset voivat liittyä niin sanottuun regeneratiiviseen lääketieteeseen. Tällaiset materiaalit voivat myös auttaa vähentämään eläinkokeiden tarvetta .

Seppälän tutkimuksiin yhdistyy myös 3D-teknologia, joka on kehittynyt huikeasti hänen viiden akatemiaprofessorivuotensa aikana. EU:n rahoituksella on pyritty luomaan ihon kaltaista kudosviljeltyä rakennetta, jossa on myös verisuonia. Sitä varten on 3D-printattu verisuonimalleja.

Seppälä esittelee 3D-verkkorakennetta, jonka pinnalle solut pystyvät tarttumaan ja kasvamaan. Siihen tarvitaan solujen kanssa yhteensopivia materiaaleja, jotka edistävät solujen suotuisaa kasvua tukirakenteessa.

”Ajatus on, että laboratoriossa voidaan tehdä soluviljelyjä näissä tukirakenteissa. Näillä voidaan korvata esimerkiksi eläinkokeita. Näitä on tehty jo paljonkin. Me olemme tehneet materiaaleja ja 3D-rakenteita, ja yhteistyökumppanimme testaavat niiden toimivuutta biologisessa ympäristössä.”

Biolääketieteestä biotalouteen

Seppälä on myös ollut mukana kehittämässä bioaktiivisen lasin ja polymeerien uusia käyttömuotoja. Työtä on tehty yhdessä Turun yliopiston lääketieteen ja hammaslääketieteen tutkijoiden kanssa. Seppälän osuus on ollut yhdistää bioaktiivista lasia biopolymeereihin. Tuloksena on ollut muun muassa yhtiö, joka onnistui kehittämään maailman lujimman resorboituvan eli elimistössä hallitusti hajoavan materiaalin.  Tällaisia lähes titaanin lujuisia biomateriaalin sovelluksia käytetään luunmurtumien hoidossa.

Lääketieteellisten biopolymeerien kemiaa voidaan soveltaa myös biotalouteen. Yksi esimerkki on maitohappoon pohjautuvien biopolymeerien kehittäminen. Sitä käytetään laajalti biojalostuksessa. Toinen laajan kiinnostuksen kohde on ollut eri selluloosan muotojen kemiallinen modifiointi eli muuntuminen.

Esimerkiksi nanoselluloosa on rakenteeltaan erittäin lujaa ja sen pinta-ala on suuri painoon nähden. Näin voidaan saada erittäin lujia biopohjaisia materiaaleja. ”Me olemme hyödyntäneet nanoselluloosaa yhdistämällä sitä grafeenin kanssa. Olemme muun muassa tehneet superkapasitaattorin, joka on tehokas ja nopea sähkön varastoija. Siinä hyödynnetään pinta-alaa, keveyttä ja biopohjaisuutta. Sähkö varautuu materiaaliin ja sen voi purkaa siitä hyvin nopeasti. Esimerkiksi kännykkä voitaisiin ladata nopeasti ja varaus kestäisi paljon pidempään kuin tänä päivänä. Sitä voisi hyödyntää myös sähkö- ja hybridiautoissa.”

Yhteiskunnallisesti merkittävää tutkimusta

Seppälä vetää myös suurta biotalouden infrastruktuurihanketta, joka on kansallisella infrastruktuurien tiekartalla. Työtä tehdään yhdessä VTT:n kanssa, mutta kansallinen Biotalouden FIRI-infrastruktuuri (www.bioeconomyinfra.fi) on avoin monenväliseen yhteistyöhön ja uudet osapuolet ovat tervetulleita mukaan. Tarkoitus on saada tämä kansallisesti ja kansainvälisesti merkittävä infrastruktuuri mahdollisimman täyteen käyttöön. Seppälä korostaa, että näin maksimoidaan akateeminen tulos yhteiskunnan parhaaksi. Hanke on saanut Suomen Akatemian rahoitusta ja parhaillaan tähdätään EU:n tiekartalle. Hakemuksen valmisteluun on saatu merkittävä EU-rahoitus.

Lisäksi kansainvälistä rahoitusta on saatu alussa mainittuihin yhteistyöprojekteihin, joissa kehitetään lääketieteellisiä biomateriaaleja. Juuri päätökseen saadussa ArtiVasc3D-EU-projektissa on ollut mukana toistakymmentä osapuolta (www.artivasc.eu). Tavoitteena oli kehittää sellaisia tukirakenteita, joilla voidaan solu- ja kudosviljellä verisuonittunutta ihon kaltaista kudosta. Hankkeessa on hyödynnetty biomateriaaliosaamista ja 3D-teknologiaa.

”Vielä on paljon tehtävää, ala on nopean kehityksen vaiheessa. Meillä vallitsee suuri innostus tässä eri alojen huikeaa kehitystä yhdistävässä tutkimuksessa. Näemme näissä suuria mahdollisuuksia, ja onnistuessaan tutkimusalueemme ovat hyvin suuresti yhteiskunnallisesti vaikuttavia. Yhteiskunnallinen vaikuttamisemme tulee konkreettisten asioiden kautta: me kehitämme teknologioita ja mahdollistamme näin uusia hoitomuotoja yhteistyökumppaneidemme kanssa. Tämä motivoi minua ja tutkijoitamme”, summaa Seppälä.

Teksti ja kuvat: Leena Vähäkylä