Korall- och svampdjursmimetik för avancerade kompositer

Miljövänliga material är för tillfället föremål för stort intresse för grön industriell ingenjörskonst men i utvecklingen av miljövänliga gröna material har man ännu inte fått fram produkter som skulle vara bättre eller motsvara prestandan hos syntetiska material. Koraller och svampdjur bildar hårda, styva och starka skelett som stöder och skyddar den mjuka organismen inuti. Genom att efterlikna koraller och svampdjur tror Alam att det går att nå upp till de syntetiska materialens standard, och ibland överträffa dem. Alam ser korall- och svampdjursmimetik som en realistisk väg att utveckla verkligt ”gröna” material.

Bioinspirerade biomaterial för sårläkning och odling av skelettdelar

En mängd biologiska material har en grundläggande biokompatibilitet med den mänskliga kroppen. Många av dessa material kan enkelt bioaktiveras (det vill säga fås att reagera på cellerna i den nya omgivningen materialet introducerats till). Många av materialen är också utvecklade för att interagera med celler och har därför en kompatibilitet på cellulär nivå. En del är också förmögna att eliminera skadliga bakteriestammar och kan också öka blodets koalugeringsförmåga och cellalstring. Många av de biologiska materialen har också mekaniska egenskaper som är kompatibla med mänsklig vävnad och mänskligt skelett. Forskningsgruppen Alam arbetar med forskar i utvecklingen och framställandet av biologiska material för att optimera sårläkningsprocessen och utvecklingen av högpresterande miljövänliga biomaterial med ursprung i naturen. Till grundmaterialen hör bakteriologisk nanocellolusa (från bakterien Acetobacter xyllinum) och naturligt förekommande biokisel (kiselalger).

Forskning i kiselalger

Transportagent för läkemedel: Koncept som Alams kiselalgsgrupp lärt sig av kiselalger har gett oss nya sätt att leverera läkemedel. En fördel som upptäckts är energistabiliteten i läkemedel som omsluts snarare än dränks av en transportsubstans – det Alams grupp försöker åstadkomma är ett nedbrytbart skelett som formar en kapsel kring läkemedlet. Skelett som förekommer i naturen är optimalt anpassade för de molekyler eller celler de omsluter. Alams grupp försöker efterlikna samma metod.

Bioteknologi: Bioteknologiska lösningar för att utveckla glasytor kring naturliga fibrer och andra material. Bioteknologerna Alam jobbar med studerar och försöker biomimikera de kemiska och fysiska strukturerna hos krabbarten Naxia tumbida för att finna lämpliga fiberbehandlingar som skulle få kiselalger att fästa. Alams grupp utvecklar specialiserade reaktorer för att förbättra kiselalgernas sätt att ordna sig på fiberytor. Målet är att utveckla högpresterande naturfiberkompositer.

Syntetisk biologi: Alam säger att det den syntetiska biologigruppen forskar i är både intressant och viktigt men hemligt för tillfället.

Kiselalger (Navicula) genom elektronmikroskop. Foto: Parvez Alam.

Upptäckande av nya arter: Endast 40.000 arter av kiselalger har namngetts – man räknar med att det finns upp till 200.000 olika arter. Alam planerar att tillsammans med en grupp forskare undersöka områden i norra Finland för att om möjligt upptäcka nya arter av kiselalger. För att kunna bevisa att arten är ny måste man göra DNA-sekvensering och genomgå andra procedurer.

Byggnadsingenjörskap inspirerat av mekanismen i trollsländevingar

Alams grupp har studerat morfologin och mekaniken i flera olika typer av trollsländor från olika håll i världen (inklusive Finland – här har trollsländorna en unik utvecklingskarakteristik). Alams grupp har utgående från den förståelse man skaffat sig för hur lederna som kopplar trollsländornas vingar till kroppen fungerar designat modeller för uthålliga ledmekanismer för att användas i byggandet av jordbävningssäkra hus. Man håller samtidigt också på att matematiskt karakterisera stora leder i trollsländor som ett nytt sätt för artbestämning.

Stresstest för imitation av trollsländans vingmekanism. Foto: Parvez Alam.

Amfibiska fiskar (slamkrypare) – biomekanik och robotik

Slamkrypare är märkliga fiskar som kan klättra i träd och även setts sitta på trädgrenar. De är kapabla att andas ovan vattenytan genom att skapa en vattenbubbla för syrediffusion och transporterar innehållet genom sina gälar. Det finns två olika typer av slamkrypare: en med enhetlig fena och en annan med delad fena. Alams slamkrypargrupp har studerat fiskens rörelsemönster, slemsekretioner, fastsugningskapacitet, morfologi och biomekanik i syfte att utveckla en robot som kan efterlikna fiskens egenskaper. Man har klarat av de två första stegen i karakteriseringen – gruppen måste ännu lära sig förstå muskulaturen och muskulaturens rörelselinjer innan de kan börja konstruera robotfunktioner.

Slamkrypare. Foto: Wikimedia Commons.

Biolimteknologier

Primärt marina biolim och spindelvävsbaserade biolim. Det finns specifika proteinstrukturer och aminosyrasekvenser (och alternativ bara specifika aminosyror) som gör att biolim baserade på proteiner har en mycket stark fastklistringsförmåga. Alams grupp har redan lyckats efterlikna klisteregenskaperna hos flagelliformtypen av spindelväv och tittar som bäst på polysackaridbaserade slem liksom på extracellulära polymeriska substanser (EPS) som har en väldigt stark klisterförmåga.
Spindelvävsforskning

Ekokompositer: Utveckling av gröna kompositer baserade på spindelväv. Inkluderar forskning i att försöka odla en giftig och aggressiv spindelart i Östafrika. Spindlar anses inte kunna odlas eftersom de är kannibalistiska till sin natur – men Alams spindelgrupp tror sig ha hittat en art som det kan lyckas med. Alam kommer att resa tillbaka till Östafrika i augusti för att se hur odlingen har fortskridit. Till spindelvävsgruppens forskning hör även studiet av hur Bombyx mori-larver avgummifierar och återgummifierar sina kokonger genom lågenergiprocesser och minimala mängder kemikalier. Larverna använder ett sericinmaterial för att limma tillbaka kokongvävens fibrer till en användbar form.

Biomekanik: Biomekaniken hos spindelväven är ett fundamentalt viktigt forskningsområde om man vill förstå hur man ska gå till väga för att kopiera väven för bruk i syntetiska material. För tillfället tittar Alams grupp på de halvkristalliserade molekylerna hos spindelväven – ett område som knappt alls undersökts tidigare. Alam tror att de halvkristalliserade molekylerna kan vara nyckeln till att förstå hur det kommer sig att spindelväv har en så enorm förmåga att absorbera energi.

Syntetisk biologi: Alams grupp kombinerar aminosyrasekvenser med olika typer av naturväv för att utveckla ”superväv” med kombinerade egenskaper hos olika typer av spindelväv (det finns åtminstone sju olika typer av spindelväv).

Pistolräka.

Pistolräksprojektet

Pistolräkor är små räkor som med en av sina klor åstadkommer djurvärldens högsta ljud. Ljudet är en kavitationsbubbla som skjuts ut i mycket hög hastighet och i sin tur producerar ljus med en temperatur som motsvarar solens (över 5.000 grader celsius). Alams pistolräksgrupp studerar som bäst pistolräkans klo för att försöka förstå hur den kan utstå trycket, den stora kinetiska energin och den enorma temperaturen. Alam säger att de redan hittat verkligt förbluffande fynd. Hans 14-åriga dotter är involverad i projektet.
Projekt tillsammans med University of Cape Town

Valar: Strukturen och karakteristiken hos djupdykande och grund-dykande valar. Projektet försöker förstå valen på olika djup och utveckla en förståelse för hur djuret anpassar sig till tryck utgående från morfologi och arkitektur i djurets hårda och mjuka material. På längre sikt är målet att använda fynden i forskningen för att optimera designen i hög- och lågtryckstillämpningar.

Suturer: Suturer är biologiska leder som förekommer bland djur från nanoskala till dinosaurieskala. Suturgruppen håller på att karakterisera förhållandet mellan struktur och funktion i dessa leder i ett försök att utveckla biomimetiska leder och ledsystem av högre kvalitet. Leder är ofta den svagaste länken i en struktur – men gruppens forskning visar att suturer också kan lätta på tryck och påfrestning i en struktur. Det skulle innebära att deras förekomst i till exempel dinosaurieskallar och kiselalgernas cellväggar är till för avlastning och för resten av strukturen.

Giraffernas stridsdynamik och kraniebiomekanik: Giraffskallar påminner i sin design om dinosauriekranier och mindre om kranierna hos andra däggdjur. Ett nytt projekt går ut på att förstå poängen i en sådan kraniestruktur. En hypotes är att giraffer och långhalsade dinosaurier stridit på likartade sätt.

Funktionell morfogenetisk träarkitektur

Alam vill i sommar (baserat bland annat på hans doktorsgrad inom byggnadsingenjörskap) börja designa estetiskt vackra broar med stor bärförmåga. Han planerar att basera broarna på strukturen i kiselalger.

Karakterisering av den kemiska föreningen i anti-HIV och anti-cancersubstanser (växter och marina organismer)

Ett antal substanser i växter och marina organismer i Indonesien har visat sig ha specifika effekter på HI-virusets cellingång och fungerar därför som immunmodulatorer för makrofager (vita blodkroppar) och så vidare. En stor del av arbetet i de här projekten har påbörjats och görs i Indonesien. Alams roll är att identifiera de kemiska föreningarna och göra modeller av dem.

Biohacking

Biohackarlärlingar på Hackteria 2014 i Yogyakarta, Indonesien. Kvinnan närmast bild är Parvez Alams studerande Afina Dina Kamila som samarbetar med honom i kiselalgforskningen. Foto: Wiki Commons.

Biohackning är en term som tar begreppet hacker från datatekniken och för den in på biovetenskaperna: biohackern är en individ som självständigt hittar sätt att ta itu med biovetenskaperna, ofta med billig, improviserad och modifierad utrustning. För Parvez Alam betyder biohackandet att utveckla metoder för att göra bioteknologisk utrustning till möjligast låga pris. Genom att till exempel ta processorerna ur kasserade mobiltelefoner och genom att söka rätt på annat teknoavfall har biohackare kunnat bygga ett skannande elektronmikroskop för 1 500 euro. Att köpa motsvarande kostar mellan 500 000 euro för en grundmodell och tre miljoner euro för en toppmodell.
– Om man kan teorin bakom hur apparaten som man behöver fungerar borde man kunna tillverka den bara man får tag på rätt material, säger Parvez Alam.
– Vi har fått erfara att FBI inte tycker något vidare om biohacking. Vi är ett problem för industrin som tillverkar de här apparaterna.
– Vad vi nu försöker är att biohacka en 3D-printer och efter det en nano-3D-pinter.
– Jag har en kille, han heter Ceasar Alpha som jag försöker få hit eftersom det teknologiska avfallet här i Finland är intressant. Om han inte kan komma hit tänker jag själv söka rätt på kasserad teknologi och ta den med mig till Indonesien.
– Med en nanoprinter kunde vi trycka kiselalgskal istället för att odla dem. Det betyder att vi kunde skippa hela den genteknologiska biten. Å andra sidan betyder det att vi förlorar EPS-kvaliteten i materialet, det vill säga Extracellular Polymeric Substance – alltså den del av materialet som gör att den fastnar i saker. De ämnen som ger material EPS-kvaliteter är laminaraner (polysackarider), uroniska syror (en form av sockersyra) och svavelhaltigt socker – och de går inte att printa, åtminstone inte med nuvarande teknologi.

Parvez Alams forskning är bioinspirerad?–?det betyd­e­r att han söker strukturer och egenskaper hos material i naturen. Havsorganismer verkar vara den domine­­rande källan till inspiration.