1/2015

Toiminnalliset pinnat tekevät materiaaleista monikäyttöisiä

Mika Hirsimäki

 

– Suomalainen metallinjalostusteollisuus on tukenut tutkimustamme merkittävällä tavalla viime vuosien aikana, mikä on merkki siitä, että teollisuus ymmärtää huippututkimuksen haasteet ja arvon sovelluksien kannalta, Mika Hirsimäki sanoo.

 

Toiminnalliset pinnat antavat lisäarvoa materiaaleille, joiden ympärillä on jo vakiintunutta suurteollisuutta. Ruostumaton teräs on hyvä esimerkki tällaisesta materiaalista. Toiminnallistetuille materiaaleille löytyy käyttökohteita niin elektroniikka- ja bioteknologiasta kuin terveys- ja sensoriteknologioista.

Kaksi erilaista tutkimusryhmää, Tampereen teknillisen yliopiston optoelektroniikan tutkimuskeskuksen pintatieteen laboratorio ja Tampereen yliopiston proteiinidynamiikan tutkimusryhmä yhdistivät voimansa tutkiakseen teräspintojen toiminnallistamista erittäin ohuiden kaksitoimisten silaanikerrosten avulla.

Silaanit ovat piin yhdisteitä. Niiden eristävien ja vettä hylkivien eli hydrofobisten ominaisuuksiensa vuoksi niitä käytetään pintojen muokkauksessa paljon esimerkiksi korroosiosuojauksessa, pintojen puhdistumista edistävinä kerroksina sekä sähköä eristävinä kerroksina.

Tutkimus luo toiminnallisuutta muuhunkin kuin teräkseen

Pintatieteen laboratoriota johtavan professori Mika Valdenin mukaan nykyisin käytössä olevat silaanipinnoitteet varsin paksuja ja niiden rakenne on epäjärjestäytynyt. Tällöin niiden hallittu toiminnallistaminen on lähes mahdotonta.

– Jotta voimme luotettavasti ennustaa ja optimoida silaanikerroksen ominaisuudet, meidän piti selvittää pinnalle hyvin järjestäytyneen silaanikerroksen rakenne, koostumus ja sen muodostumista hallitsevat fysikaaliset ja kemialliset ilmiöt. Tutkimuksesta saadun tiedon avulla on jatkossa mahdollista kehittää lähes loputtomasti muita toiminnallisuuksia myös muille kuin teräspinnoille.

Kirkas säteily paljastaa materiaalin koostumuksen molekyylin tarkkuudella

Silaanikerrosten tutkimiseen saatiin apua Lundin yliopiston hallinnoimasta Ruotsin kansallisen synkrotronisäteilykeskuksen MAX IV -laboratoriosta. Laboratoriossa voidaan tuottaa erittäin kirkasta synkrotronisäteilyä. Kerroksen toiminnan kannalta kriittisiä pintamolekyylejä on niin harvassa, että säteilylähteen tuottaman valon ominaisuudet nousivat ratkaisevaan rooliin.

– Yhden molekyylikerroksen eli noin 0,5 nanometrin paksuisesta silaanikerroksesta ei olisi saatu muita säteilylähteitä käyttäen yhtä luotettavia tuloksia, yliopistotutkija Mika Hirsimäki ORC:n pintatieteen laboratoriosta toteaa.

Tutkimukseen osallistui myös Tarton yliopisto Virosta. Sen fysiikan instituutti on yksi synkrotronisäteilyn käytön pioneereista Pohjoismaiden ja Baltian maiden alueella. Professori Ergo Nõmmiste on erittäin arvostettu alan asiantuntija.

– Virolaisten kollegoidemme yhteistyöverkosto, kokemus synkrotronisäteilyn hyödyntämisestä sekä tieteellinen osaaminen ovat osoittautuneet erittäin hyödyllisiksi tässä tutkimuksessa.

Diagnostisia pintoja elintarviketeollisuuteen ja lääketieteeseen

Tutkimuksessa valmistettiin teräspinnalle kaksitoiminen kerros kahdesta erilaisesta silaanimolekyylistä, jotka vuorovaikuttavat ympäristön kanssa eri tavoin. Muuttamalla silaanimolekyylien keskinäistä suhdetta voidaan vaikuttaa pinnan toiminnallisuuteen hallitusti. Silaanikerroksen välityksellä teräksen pinnalle voidaan kiinnittää esimerkiksi proteiineja.

– Kiinnitimme muokatulle pinnalle hallitusti streptavidiini-proteiineja, joiden avulla voidaan luoda uusia biologisia toiminnallisuuksia. Tätä lähestymistapaa kutsutaan (strept)avidin-biotin teknologiaksi ja sitä käytetään muun muassa lääketieteellisissä täsmähoidoissa. Sen avulla voidaan esimerkiksi kohdistaa lääkeaineita vain tiettyyn kudokseen, havaita tautien vasta-aineita ja puhdistaa biomolekyylejä, akatemiatutkija Vesa Hytönen Tampereen yliopiston proteiinidynamiikan tutkimusryhmästä kertoo.

Silaanikerroksen ja biomolekyylien avulla toiminnallistettuja materiaaleja voidaan kehittää elintarviketeollisuudessa esimerkiksi haitallisten bakteerien tunnistamiseen tai niiden kiinnittymisen estämiseen. Proteiinit muokataan niin, että ne reagoivat bakteerien tai niiden tuottamien yhdisteiden kanssa. Silaanikerroksen avulla proteiinit voidaan kiinnittää suoraan esimerkiksi tuotevalvonnassa käytetyille teräspintoihin.

Proteiineja voidaan myös käyttää verisuoniin implantoitavien stenttien pintamateriaaleina. Sydän- ja verisuonisairauksien hoidossa teräksestä valmistetut stentit asennetaan verisuonen sisälle estämään niiden uusi tukkeutuminen. Elimistöön asennettavat vierasesineet aiheuttavat ihmiskehossa kuitenkin aina jonkinasteisen hylkimisreaktion. Kiinnittämällä stenttimateriaaliin silaanikerroksen välityksellä esimerkiksi RGD-peptidejä, voitaisiin edistää oikeantyyppisten solujen kiinnittymistä pintaan.

Silaanikerrosten soveltuvuutta materiaalien toiminnallistamiseen ja niiden jatkokehittämistä tutkitaan parhaillaan muun muassa FIMECC Oy:n HYBRIDS-ohjelmassa.

Uusi valmistusmenetelmä silaanikerrosten kasvattamiseen

TTY:n optoelektroniikan tutkimuskeskuksen (ORC) professori Mika Valdenin johtama pintatieteen laboratorio julkaisi lokakuussa 2014 Nanotechnology-lehdessä tutkimuksen teräspintojen toiminnallistamisesta erittäin ohuiden kaksitoimisten silaanikerrosten avulla. Tutkimuksen tuloksena on kehitetty uusi valmistusmenetelmä silaanikerrosten kasvattamiseksi sekä esitetty miten niiden rakenne ja koostumus voidaan optimoida biologisen toiminnallisuuden saavuttamiseksi teräspinnoilla. Lisäksi tavoitteena oli, että valmistusmenetelmä olisi suoraviivaista siirtää tutkimusympäristöstä tuotantoympäristöön. Tutkimus liittyy diplomi-insinööri Leena Vuoren väitöskirjatutkimukseen. Vuori väitteli TTY:llä marrakuussa.

 

Teksti: Marjut Kemiläinen
Kuva: Virpi Andersin

 
Kerro kaverille
Nyt nähdään puu metsältä
Nyt nähdään puu metsältä
1/2015
Nyt nähdään puu metsältä
Tavoitteena U-käännös: Tuotanto takaisin Suomeen, mutta uudenlaisena
Tavoitteena U-käännös: Tuotanto takaisin Suomeen, mutta uudenlaisena
1/2015
Tavoitteena U-käännös: Tuotanto takaisin Suomeen, mutta uudenlaisena
TTY:lle tekniikan pedagogiikan professuuri
TTY:lle tekniikan pedagogiikan professuuri
1/2015
TTY:lle tekniikan pedagogiikan professuuri
Viidelle TTY-läiselle kannustuspalkinnot
Viidelle TTY-läiselle kannustuspalkinnot
1/2015
Viidelle TTY-läiselle kannustuspalkinnot
Mitä yhteistä on laskentatoimella ja oranssikahvaisilla puutarhasaksilla?
Mitä yhteistä on laskentatoimella ja oranssikahvaisilla puutarhasaksilla?
1/2015
Mitä yhteistä on laskentatoimella ja oranssikahvaisilla puutarhasaksilla?
Vastaisku Aasian halvoille tekstiilipajoille?
Vastaisku Aasian halvoille tekstiilipajoille?
1/2015
Vastaisku Aasian halvoille tekstiilipajoille?
Negatiivisista tunteista tuulta purjeisiin
Negatiivisista tunteista tuulta purjeisiin
1/2015
Negatiivisista tunteista tuulta purjeisiin
Teollisen kilpailukyvyn puuttuva palanen
Teollisen kilpailukyvyn puuttuva palanen
1/2015
Teollisen kilpailukyvyn puuttuva palanen
Akateemista kyykkää 50 vuotta
Akateemista kyykkää 50 vuotta
1/2015
Akateemista kyykkää 50 vuotta
Kutosluokkalaiset TTY:n rehtorina, professorina ja tutkijana
Kutosluokkalaiset TTY:n rehtorina, professorina ja tutkijana
1/2015
Kutosluokkalaiset TTY:n rehtorina, professorina ja tutkijana
Vie tiede someen, se kannattaa
Vie tiede someen, se kannattaa
1/2015
Vie tiede someen, se kannattaa
Miro Erkintalo muuttaisi paitsi tutkimuksellaan maailmaa, myös tutkimusmaailmaa
Miro Erkintalo muuttaisi paitsi tutkimuksellaan maailmaa, myös tutkimusmaailmaa
1/2015
Miro Erkintalo muuttaisi paitsi tutkimuksellaan maailmaa, myös tutkimusmaailmaa
Verkostoituminen vauhdittaa meriteollisuutta
Verkostoituminen vauhdittaa meriteollisuutta
1/2015
Verkostoituminen vauhdittaa meriteollisuutta
Perjantaisin ratkotaan pulmia
Perjantaisin ratkotaan pulmia
1/2015
Perjantaisin ratkotaan pulmia

Tampereen teknillinen yliopisto on teknologisen kehityksen tiennäyttäjä sekä tutkimusmaailman ja elinkeinoelämän yhteistyökumppani. Yliopistosta valmistuu haluttuja osaajia yhteiskunnan eri aloille.

Käyntiosoite:
Korkeakoulunkatu 10,
33720 Tampere

Postiosoite:
PL 527, 33101 Tampere

Puhelinvaihde:
03 311 511
ma–pe kello 8–16.15
kesällä ma–pe 8–15.45

Virallinen sähköpostiosoite:
tty.asiointi@tut.fi