Hämähäkkisilkin ja nanoselluloosan yhdistelmästä syntyi muovin haastaja

Aalto-yliopisto ja VTT ovat kehittäneet ainutlaatuisen materiaalin, joka on samalla luja, jäykkä ja sitkeä. Tulevaisuudessa sitä voidaan käyttää muun muassa biopohjaisissa komposiiteissa ja lääketieteellisissä sovelluksissa.

Yhtä aikaa lujan ja venyvän materiaalin valmistaminen on ollut materiaalisuunnittelun suurimpia haasteita: lujuuden lisäämiseksi on pitänyt tinkiä venyvyydestä ja päinvastoin. Nyt Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijat ovat onnistuneet selättämään haasteen ottamalla mallia luonnosta.

Tutkijat loivat aivan uuden biopohjaisen materiaalin liimaamalla puun selluloosakuituja yhteen hämähäkin seitistä löytyvällä silkkiproteiinilla. Tuloksena oli hyvin jäykkää ja samalla sitkeää materiaalia, jota voidaan tulevaisuudessa käyttää esimerkiksi muovien korvaamiseen, biopohjaisiin komposiitteihin, lääketieteellisissä sovelluksissa ja tekstiiliteollisuudessa.

Tutkimusta vetäneen Aalto-yliopiston professori Markus Linderin mukaan luonto tarjoaa uusien materiaalien kehittämiseen loistavia raaka-aineita, kuten nyt käytettyjä lujaa ja helposti saatavilla olevaa selluloosaa ja sitkeää ja joustavaa silkkiä. Molempien etu on se, että toisin kuin muovi, ne hajoavat luonnossa eivätkä aiheuta siellä mikromuovin kaltaisia haittoja. 

"Nämä luonnon hyvät ominaisuudet meidän tutkijoiden pitää vain pystyä toistamaan", Linder sanoo.

"Pilkoimme koivuselluloosan kuidut nanofibrilleiksi, jotka järjestimme samansuuntaisiksi. Samalla täytimme selluloosasta muodostuvan kehikon pehmeällä silkkiproteiinilla. Se toimii liimamaisena sidosaineena sekä kykenee välittämään mekaanista energiaa molekyylitasolle", kertoo erikoistutkija Pezhman MohammadiVTT:ltä.

Silkkiä DNA:n ja bakteerien avulla

Silkki on proteiini, jota esiintyy luonnossa muun muassa silkkitoukan erittämänä ja hämähäkinseitissä. Aalto-yliopiston ja VTT:n tutkijoiden käyttämä hämähäkkisilkki ei kuitenkaan ollut peräisin seitistä vaan tutkijat valmistivat sen synteettisen DNA:n ja bakteerien avulla. 

"Koska tunnemme DNA:n rakenteen, voimme kopioida sen ja valmistaa sen avulla kemiallisesti samanlaisia silkkiproteiinimolekyylejä kuin hämähäkinseitissä on. DNA:ssa on kaikki se informaatio valmiina", Linder selittää.

"Työmme on osoitus proteiinien kehittämisen uusista ja monipuolisista mahdollisuuksista. Voimme valmistaa vastaavia komposiittimateriaaleja hiukan eri raaka-aineista ja saada aikaiseksi uusia ominaisuusyhdistelmiä eri käyttötarkoituksiin. Parhaillaan kehitämme komposiittimateriaalia, joka soveltuu esimerkiksi implantteihin ja iskunkestäviin kohteisiin", sanoo Pezhman.

Tutkimushanke on osa Suomen Akatemian rahoittamaa Biosynteettisten hybridimateriaalien molekyylimuokkaus"Hyber" -huippuyksikköä.  

Hämähäkinsilkkiproteiiniin voi tutustua 14 syyskuuta saakka New Silk – What Can We Learn From Spiders? -näyttelyssä Aalto-yliopistolla. Näyttely on osa Helsinki Design Weekin Designs For a Cooler Planet -näyttelyä. Näyttely on koottu materiaali- ja design-tutkijoiden ja tekstiiliasiantuntijoiden yhteistyönä. 

Tieteellinen artikkeli verkossa: https://advances.sciencemag.org/content/5/9/eaaw2541