Tarkka ja edullinen biomateriaalien muokkausmenetelmä ihmisen varaosien valmistukseen

VTT ja Tampereen teknillinen yliopisto sekä lasertyöstöön erikoistunut Nanofoot Finland Oy ovat kehittäneet BioneXt Tampere -ohjelman rahoittamassa projektissa 3D Forming-menetelmän biomateriaalien muokkaamiseen. Menetelmän avulla voidaan rakentaa entistä pienempiä ja tarkempia biomateriaali-istukkeita eli mikroskooppisen pieniä ”ihmisen varaosia”.

Biomateriaali-istukkeita tarvitaan esimerkiksi kantasoluista kasvatettujen uusien kudosten, kuten maksa-, sydän- tai hermokudoksen tukirakenteissa, jotka asennetaan ihmiseen. Menetelmän avulla voidaan jäljitellä elimistön pienimpiä rakenteita.

Pulssilaserilla polymeroidaan erittäin pieniä kolmiulotteisia rakenteita

Uusi menetelmä perustuu pulssilaseriin, jolla saadaan näkyvän valon aallonpituutta käyttäen aikaan lähtöaineissa 2-fotoni-polymeraatioreaktio. Se antaa mahdollisuuden työskennellä nestetilavuuden sisällä niin, että vain aivan tarkin, alle 1 mikrometrin fokuspiste nesteessä kovettuu polymeeriksi. Aikaisemmin ei ole voitu helposti muodostaa pieniä kolmiulotteisia rakenteita, koska perinteisessä UV-valolla suoritettavassa polymeroinnissa koko säteellä valaistu alue kovettuu.

Uuden menetelmän etuna on lisäksi se, että erityisiä valomaskeja ei tarvita vaan rakenne muodostetaan suoraan nesteen sisälle.

Tukirakenteita kudosten kasvattamiseen

Mikrometriä pienempiä biomateriaaleja tarvitaan useissa sovelluksissa. Esimerkiksi potilaisiin siirrettävät, kantasoluista kasvatettavat keinotekoiset kudokset tarvitsevat muodostuakseen tukirakenteita, jotka on rakennettu solujen tai solujen osien mittojen mukaan. Tähän mennessä pienimmät hankkeessa muodostetut rakenteet ovat leveydeltään noin 700 nm eli 700 millimetrin miljoonasosaa. Vertailukohtana voi käyttää ihosoluja, joiden koko on noin 11000 - 12000 nm ja viruksia, joiden koko on 10 – 100 nm. Tukirakenteet voidaan valmistaa biohajoavasta materiaalista, jolloin ne ovat kudosyhteensopivia.

Pikosekunti-pulssilaserin käyttö edullisempaa

Tarkkuuden lisäksi menetelmän etuna on edullisen, pienitehoisen laserin käyttö. Muut tutkimusryhmät ovat käyttäneet yleensä tähän tarkoitukseen hyvin kalliita femtosekunti-pulssilasereita. 3D forming -menetelmässä käytetään pitempiä, pikosekuntien pituisia pulsseja tuottavaa laseria, jonka käyttö on huomattavasti edullisempaa. Tiedossa on ainoastaan yksi ryhmä USA:ssa, joka on aikaisemmin onnistunut biomateriaalien polymeroinnissa vastaavanlaisella laserilla.

Menetelmän avulla voidaan valmistaa suurta tarkkuutta vaativia kolmiulotteisia kappaleita myös muihin sovelluksiin, kuten optisiin hiloihin, fotonikiteisiin ja mikrofluidiikan tarpeisiin.

Projekti on toteutettu poikkitieteellisenä yhteistyönä: tutkija Sanna Peltola Biomateriaalitekniikan laitokselta Tampereen teknillisestä yliopistosta on tehnyt materiaalien kehittämiseen liittyvän työn ja tutkimusprofessori Jouko Viitasen tutkimusryhmä VTT:stä on kehittänyt laserlaitteiston. Tampereen yliopiston tutkijat selvittivät esiprojektissa kantasolulinjojen kehittämiseen liittyviä edellytyksiä. Menetelmän kaupallistaa lasertyöstöpalveluja tarjoava Nanofoot Finland Oy.

 


Lisätietoja

VTT on puolueeton asiantuntijaorganisaatio, joka kehittää uutta teknologiaa, tuottaa tutkimus-, kehitys-, testaus- ja tietopalveluita sekä kotimaisille että kansainvälisille asiakkailleen, yrityksille ja julkiselle sektorille. Osaamisellaan ja uusilla innovaatioilla VTT pyrkii lisäämään omistajansa ja asiakkaidensa teknistaloudellista kilpailukykyä ja yhteiskunnan hyvinvointia.