Hämähäkkisilkin luonnollisen sitkeyden ja venyvyyden yhdistäminen selluloosan lujuuteen ja jäykkyyteen voi kuulostaa tieteisfiktiolta, mutta se on nyt todellisuutta. Liimaamalla yhteen muunneltuja hämähäkin silkkiproteiineja ja selluloosakuituja Aalto-yliopiston ja Valtion teknillisen tutkimuslaitos VTT:n tutkijat loivat uuden biopohjaisen materiaalin, joka on yhtä aikaa luja, jäykkä ja sitkeä.
Uusi keksintö saattaa tulevaisuudessa korvata muovin useilla teollisuudenaloilla, minkä lisäksi materiaalin luomiseen käytetty prosessi avaa mahdollisuuden uusien biopohjaisten komposiittien kehittämiseen.
Uusi löytö
Vaikka silkillä ja selluloosalla on biopohjaisina polymeereinä useita toisiaan täydentäviä ominaisuuksia, niiden yhdistäminen ei ole helppoa.
”Olemme suunnitelleet tätä vuosien ajan. Nyt saavutettujen tulosten taustalla on pitkä prosessi”, kertoo Markus Linder, joka on Aalto-yliopiston biotuotteiden ja biotekniikan laitoksen professori ja yksi tutkimuksen tekijöistä.
Materiaalit yhdistävässä prosessissa koivuselluloosa pilkotaan pikkuruisiksi sellukuiduiksi, jotka järjestetään kehikoksi. Kehikko täytetään liimamaisena sidosaineena toimivilla muunnelluilla hämähäkin silkkiproteiineilla, jotka valmistetaan laboratoriossa synteettisen DNA:n ja bakteerien avulla.
Prosessissa syntyy jäykkä ja joustava biopohjainen komposiittimateriaali, jolla on Linderin mukaan potentiaalia laaja-alaiseen käyttöön. Toinen tutkimusryhmän jäsen, VTT:n tutkija Pezhman Mohammadi, huomauttaa, että materiaalin käytännön sovellukset riippuvat siitä, missä muodossa sitä käytetään.
”Kuituna materiaalia voidaan käyttää tekstiiliteollisuudessa kirurgiassa tarvittavien kankaiden tai haavapeitteiden valmistuksessa. Kalvona materiaalia voidaan käyttää elintarvike- ja lääketeollisuuksien pakkausmateriaalina.”
Luonnon innoittama
Historian saatossa hämähäkkisilkillä on ollut monia sovelluksia: antiikin Kreikassa sitä käytettiin haavojen sidontaan, ja aboriginaalit tekivät siitä siimaa. Nykyään hämähäkkisilkin ominaisuuksia voidaan hyödyntää koskematta hämähäkkeihin.
”Käyttämämme hämähäkin silkkiproteiinit ovat keinotekoisia”, Linder selittää. ”Olemme muokanneet niiden rakennetta prosessiin sopivammaksi.”
Selluloosa puolestaan on täydellinen pari hämähäkkisilkille, sillä selluloosa on kestävä, helposti saatava ja kustannustehokas materiaali, joka sopii hyvin yhteen proteiinien kanssa.
”Selluloosan valtavasta potentiaalista ei ole epäilystäkään. Sitä on helposti saatavilla ja sitä osataan käsitellä ja käyttää. Yhdistämällä selluloosa muihin materiaaleihin voidaan avata ovia aivan uusiin maailmoihin, mutta se ei ole kuitenkaan helppoa”, Linder toteaa.
Ilmastoystävällinen materiaali
Kiinnostus biopohjaisia materiaaleja kohtaan ei kumpua ainoastaan niiden ominaisuuksista vaan myös siitä, mitä niillä voidaan korvata. Linder kertoo, että halu vähentää muovia on ollut yksi tutkimuksen kantavista voimista. Mohammadin mukaan uuden materiaalin biohajoavuus tulee olemaan yksi sen tärkeimmistä menestystekijöistä markkinoilla.
”Biopohjaiset materiaalit ovat kustannustehokkaita valmistaa, ja niiden raaka-aineina käytetään uusiutuvia luonnonvaroja, jotka puolestaan ovat energiatehokkaita eivätkä tuota lähes ollenkaan ongelmajätettä. Teollisuudenalat lääketieteestä ja elektroniikasta lentokone- ja autoteollisuuteen ovat kiinnostuneita vaihtamaan öljypohjaiset materiaalit vastaaviin biopohjaisiin korvikkeisiin.”
Mitä seuraavaksi?
Proteiinitekniikan kehitys on mahdollistanut useiden luonnon innoittamien rakennusosien valmistamisen laboratorio-olosuhteissa. Yhdysvaltalaiset, saksalaiset ja japanilaiset yhtiöt ovat jo alkaneet valmistaa biopohjaisten materiaalien valmistukseen tarkoitettuja proteiineja. Continentalin – joka on valmistanut kumirenkaita voikukista – tavoin proteiineja voidaan käyttää olemassa olevien materiaalien jäljittelemiseen, mutta myös täysin uusien materiaalien kehittämiseen. Tällaiset materiaalit voivat mullistaa tapamme elää, aivan kuten muovi teki 1900-luvulla.
Linder uskoo, että biopohjaiset materiaalit tarjoavat loputtoman mahdollisuuksien lähteen, sillä ne mahdollistavat lähes minkä tahansa tuotteen kehittämisen uusilla tavoilla. Mahdollisesti kaikkein vaikuttavin biopohjainen tuote on kuitenkin nyt keksitty.
”Uutuusmateriaali vaatii vielä paljon kehitystä. Olemme kuitenkin osoittaneet sen toteuttamiskelpoisuuden sekä lukuisat ominaisuudet ja edut – silkkiproteiinin ja selluloosan yhdistäminen on ratkaiseva keksintö.”
