Til hovedinnhold

De åpner et nytt vindu inn til naturens nanoverden

Disse forskerne studerer naturens egne nanomaterialer med metoder og verktøy som vanligvis brukes til noe helt annet. Det har gitt oss viten som kan forandre alt fra medisinsk behandling til byggkonstruksjoner.
SINTEF-forskerne Birgitte McDonagh og Sigurd Wenner forsker på egenskapene til organiske nanomaterialer på en helt ny måte. Det kan åpne for både mye medisintyper og materialer. Her er de på laben. Foto: Thor Nielsen
SINTEF-forskerne Birgitte McDonagh og Sigurd Wenner forsker på egenskapene til organiske nanomaterialer på en helt ny måte. Det kan åpne for både mye medisintyper og materialer. Her er de på laben. Foto: Thor Nielsen

– Vi må snakke om ordet «nano», sier SINTEF-forsker Sigurd Wenner. – Nanoteknologi og nanomedisin oppfattes av mange som noe skummelt eller farlig, men det er det ikke. Nano er kun en benevning, eller på det matematiske fagspråket; en måleenhetsprefiks. For eksempel kan man si at man har bevegd seg 1 km eller 1000 meter. Det er like langt, men man bruker benevningen «km» av praktiske grunner. På samme måte som kilo er en benevning, er også nano det.

Sigurd og forskerkollegene ved SINTEF utvikler nå helt nye metoder for å undersøke oppbygningen til organiske nanomaterialer. Denne nanoteknologien gjør at vi får ny kunnskap som lar oss skreddersy hvordan de ulike materialene kan brukes. Ikke minst innenfor medisin. Prosjektet har fått navnet MOSON (Molecular structure of organic nanomaterials).

Noen av verktøyene er som en gravemaskin: de fungerer fint til å grave stein, men dårlig til å grave fram et vikingskip. 

Covidvaksine – ikke mulig uten nanoteknologi

Nano er gresk og betyr dverg og er det samme som èn milliarddels meter. Nanoteknologi omfatter derfor objekter som er ekstremt små, og som krever svært avanserte analyseteknikker når de skal undersøkes. 

Disse materialene kan som nevnt være ekstremt nyttige i medisinsk sammenheng: Sannsynligvis har du allerede hatt nærkontakt med teknologien gjennom en covid-vaksine. De moderne mRNA-vaksinene frakter oppskriften (mRNA) på en del av virusets protein inn i kroppen vår. Kroppen produserer da proteinet, noe som gjør at immunforsvaret vil reagere og bygge opp antistoffer mot COVID-19. På den måten er kroppen vår blitt opplært til å kjenne igjen COVID-19 viruset, og er da rustet for angrep dersom man blir smittet.

– Levering av mRNA hadde derimot ikke vært mulig uten nanoteknologi. mRNA er et veldig skjørt molekyl som ikke tåler så mye, så de må pakkes varsomt inn og beskyttes for å nå fram dit de skal i kroppen. For å kunne beskytte mRNA, pakkes det inn i en liten fettkule som kalles lipid-nanopartikler. Disse er selve transportmediet for mRNA-et i vaksinen og sørger for at mRNA er beskyttet og kan tas opp av cellene i kroppen vår, forklarer forskerkollega Birgitte McDonagh i SINTEF.

Sigurd Wenner i SINTEF i laben

SINTEF-forsker Sigurd Wenner viser fram atomsondetomografen; instrumentet som river fra hverandre og analyserer materialer, som f. eks. nanocellulose, atom for atom. Foto: Thor Nielsen

Fra trær til gjenoppbygging av bein

Men det finnes andre organiske nanopartikler som også kan være nyttige i medisinens tjeneste. Et av dem er cellulose, altså byggesteinene i trefiber.

– Cellulose er et av naturens sterkeste materialer, og er grunnen til at trær kan vokse titalls meter og stå oppreist mot vær og vind. Naturen har hatt millioner av år på å utvikle disse materialene, så vi som forskere kan derfor spare en del tid på å bruke disse materialene direkte, sier McDonagh.

Noe av det som kan være avgjørende for egenskapene til et materiale er krystallstrukturen. For eksempel kan man se forskjell på grafitt og diamant. Disse består av det samme grunnstoffet, karbon, men har forskjellig krystallstruktur. Det ene brukes til å skrive på papir med mens det andre er hardt, skinnende og verdifullt.

Om man deler disse trefibrene i sine aller minste deler befinner de seg i form av små staver eller fibre som er ti tusen ganger tynnere enn et hårstrå. Disse kalles nanocellulose. Selv om disse stavene er små, er de ekstremt sterke. Det er blant annet dette som gjør de så interessante for medisinsk forskning.

Med litt arbeid på laben kan forskerne forme dem til porøse, tørre strukturer som kan brukes til mye:

– Nanocellulose er et fantastisk materiale. Det er sterkt, det finnes mye av det og kanskje viktigst av alt er ansett som et trygt materiale for mennesker. På grunn av dette foregår det mye forskning på bruk av nanocellulosegitter som stillas for oppbygning av skader i bein, forteller McDonagh.

Et vindu inn til det aller minste. Her jobber forskerne med spesielle mikroskoper og kamera – i en skala som er ufattelig liten. Foto: Thor Nielsen.

Tanken er at nanocellulosen kan settes inn i beinskaden og dermed støtte opp og hjelpe beincellene med å gro og reparere bruddet. I det internasjonale forskningsmiljøet kalles dette for vevsregenerering; som har til hensikt å hjelpe kroppen med å reparere skader.

Grunnforskning på organiske nanomaterialer

Dette er bare to eksempler på organiske nanomaterialer som vi vet har unike egenskaper. Materialene finnes i hopetall – men mye er fremdeles ukjent for de fleste. Og det er her norske forskere og det strategiske prosjektet MOSON kommer inn i bildet:

– I dette prosjektet skal vi analysere egenskapene til ulike organiske nanomaterialer. Og det som avgjør egenskapene – altså hva de kan brukes til – er stoffenes kjemi og atomstruktur, eller oppbygging om du vil, sier prosjektleder Sigurd Wenner.

Det vi snakker om her er grunnforskning: Forskning som ønsker å gi ny innsikt i materialenes egenskaper, og som ikke har umiddelbar effekt på nåværende teknologi – men som kan komme til nytte i mange ulike sammenhenger på sikt.

Nå er prosjektet midtveis og forskerne har allerede fått gode resultater i jakten på et nytt vindu inn i denne nanoverdenen.

Når et sandkorn blir kjempestort

Å få innblikk i nanoverdenens minste byggesteiner krever sine metoder, og ikke minst utstyr som gjør det mulig å observere materialenes oppbygging og kjemiske egenskaper. Det skjer i en størrelsesskala som ligger utenfor det vi kan forestille oss. Vi er tilbake til nanometerskalaen:

Partiklene det er snakk om her har en størrelse på rundt 100 nanometer. Med andre ord: De minste sandkornene du klarer å se vil kunne romme 1 milliard slike partikler.

Verktøyene som forskerne bruker i MOSON-prosjektet, er instrumenter som vanligvis blir brukt til å studere struktur og kjemisk sammensetning i harde, robuste materialer som stål, stein eller elektroniske komponenter. Disse materialene er enkle å håndtere, kutte i mindre biter og undersøke på alle slags måter. Men teamet har nå satt fokus på mykere materialer:

– Noen av verktøyene er som en gravemaskin: de fungerer fint til å grave stein, men dårlig til å grave fram et vikingskip. Derfor utvikler vi helt nye og skånsomme måter å bruke utstyret på, slik at vi kan undersøke de skjøre organiske nanomaterialene. I stedet for å bruke instrumentet til å bombardere materialene som et pressluftbor, skal vi nå bruke det til arkeologisk utgraving med mikrobørster, sier forsker Sigurd Wenner.

En kule av nanoplast balanserer på en ørliten nål.

To the point: Her brukes en liten nål til å plukke opp en nanoplast-kule som et ledd i forberedelsen for analyse med atomsondetomografi. Bildet er tatt med et elektronmikroskop ved NTNU Nanolab.

Nanomaterialene trenger å bli «skuddsikre»

En svært viktig forutsetning for prosjektet har vært å sørge for at de organiske nanomaterialene tåler bombardement av elektroner og høyt vakuum. Forskerne har derfor brukt ulike teknikker for å innkapsle materialene slik at de er beskyttet.

En av teknikkene er å kapsle materialet inn i glass som dannes fra en vannløsning. Dette  kalles vannglass. Teknikken åpner døren for å også analysere strukturen til biomolekyler som for eksempel proteiner; disse tåler nemlig ikke å tørke ut.

– Som modellmateriale for innkapslingsteknikken har vi brukt  proteiner som er  festet på en gullpartikkel, og klart å bevise at vi kan beskytte proteinene under avbildning med elektroner. Gullpartiklene fungerer her som en skyteskive, som markerer hvor proteinene befinner seg, mens glasset er beskyttelsesvesten,  forklarer Wenner.

 

Nanoverden: Her har forskere innkapslet proteiner festet til gull i vannglass.

Her har forskerne kapslet inn proteindekte gullnanopartikler i en mikroskopisk glassdråpe. Teknikken åpner for kjemisk analyse i et elektronmikroskop. Gullet er rødt, proteinene er grønne og glasset er blått.

 

Krystaller avgjør styrken i nanomaterialet

– Noe av det som kan være avgjørende for egenskapene til et materiale er krystallstrukturen. For eksempel kan man se forskjell på grafitt og diamant. Disse består av det samme grunnstoffet – karbon – men har forskjellig krystallstruktur. Det ene brukes til å skrive på papir med mens det andre er hardt, skinnende og verdifullt, forklarer Birgitte McDonagh.

Materialets krystallstruktur kan undersøkes med elektrondiffraksjon. Tradisjonelt brukes denne metoden for å undersøke krystallstrukturen i metaller, halvledere og mineraler.  Det avslører disse materialenes styrke eller evne til å lede strøm, for å nevne noe.

Men hva er egentlig en krystall? Det handler om hvordan atomene i materialet er organisert. I gips og glass sitter de hulter til bulter. I en krystall sitter de pent på rekke, i alle retninger. Dette lager et gitter av atomer, som det repeterende mønsteret i hønsenetting eller strikketøy. Krystaller er ikke nødvendigvis blanke og vakre: Det vi kaller krystallglass har ikke krystallstruktur, mens enhver gråstein eller blikkboks har det. Og ikke minst: Cellulose har krystallstruktur!

Wenner utdyper:
– Atom-gitteret i en krystallstruktur fungerer som en samling av speil som reflekterer elektroner mens de går gjennom materialets gitter. Ved å undersøke hvilke retninger elektroner blir spredt i, kan vi måle krystallstrukturen til et materiale. Det gir oss mer informasjon om egenskapene materialet har.

Kan undersøke én og én partikkel

Det som kanskje er enda mer overraskende er at elektronstrålen kan fokuseres slik at den bare treffer én nanopartikkel om gangen.

Dette kalles nano-elektrondiffraksjon. Metoden avslører i hvilken grad partiklene er krystalline. I praksis gir det svar på hvor robust en struktur av nanocellulose er – og dermed hva den kan tåle å brukes til. Det finnes nemlig flere typer nanocellulose som kan ha ulike bruksområder.

Problemet er på nytt skjørheten til organiske materialer. De tåler ikke all verden: Vi kan kun sende noen tusen elektroner gjennom en partikkel før strukturen blir ødelagt.

– Derfor er det viktig å fange opp hvert enkelt elektron som har gått gjennom og få så mye informasjon vi kan ut fra det. Ved å bruke elektronsensitivt kamera kan vi se i hvilke retninger elektronene reflekteres. Vi ender med et mønster som forteller oss hva slags krystallstruktur partikkelen har.

– Dette er mulig gjennom en ny generasjon kameraer som opprinnelig ble utviklet ved CERN for forskning på partikkelfysikk, forklarer Sigurd Wenner. Vi jobber nå med å tilpasse denne teknikken til studier av organiske materialer på nanonivå.

 

Nanocellulose i krystallform

Nei, dette er ikke moderne kunst. Det er atomene i en plateformet nanocellulose-krystall, fotografert og målt med en atomsondetomograf. Oksygen er blått og karbon er brunt. Krystallen beskyttes mellom to ulike metallplater.

Grunnstoffene avgjør de kjemiske egenskapene i nanomaterialer

Mens elektrondiffraksjon måler hvordan atomene er stablet, altså krystallstrukturen, måler atomsondetomografi hva slags grunnstoffer som er tilstede.

– Med denne metoden kan vi avsløre hvilke grunnstoffer som befinner seg i et materiale og atomenes posisjon i 3D. Metoden river materialet i stykker – ett atom av gangen, slik at vi kan lage en 3D-modell av en enkel nanopartikkel og studere den nøye.

Dermed kan forskerne måle hva slags atomer som sitter på overflaten av for eksempel cellulose-krystaller eller lipid-nanopartikler (transportmiddelet i covid-vaksinen).

Kjemien til overflaten er viktig, særlig for medisinsk bruk, da det er overflaten til nanomaterialet menneskekroppen først kommer i kontakt med.

– Det vi gjør i praksis er altså å bygge kompetanse og bidra med teknikker som vil få stor betydning for medisinsk industri. Men de kan også komme til nytte på andre områder, for eksempel ved undersøkelser av nanoplast. Teknikkene gjør at vi kan se på ulike plasttyper og få mer informasjon om hvordan plasten brytes ned og hvor godt den sprer seg i ulike miljø, avslutter Sigurd Wenner.

 

Av Christina Benjaminsen for Gemini.no
torsdag 30. september 2021
932 55 782