Det går att använda ved till betydligt fler saker än att elda med och göra papper av. Snart kan det hända att du sväljer produkter extraherade ur ved med medicin som printats åt dig på apoteket.
Text & foto: Nicklas Hägen
Skogen brukar kallas Finlands gröna guld, men skogsindustrin är inte längre samma ekonomiska trygghet den en gång var. Under januari–april i år exporterade man från Finland skogindustriprodukter för 3,9 miljarder euro, vilket är en tillväxt på fyra procent från föregående år. Trots detta låg exporten tre procent under genomsnittet för de tio senaste åren, visar statistik från naturresursinstitutet Luke.
Det betyder inte att det är kört för skogsindustrin. Tvärtom, infrastrukturen för den finländska skogsindustrin är redan välutvecklad och därför finns det goda förutsättningar för att ta i bruk nya idéer.
Ett ställe där sådana utvecklas är vid Johan Gadolin-programmet vid processkemiska centret PCC vid Åbo Akademi, där man forskar i att skapa nya biomaterial och kemikalier av ved.
– Vårt mål har i 20 år varit att hitta produkter som kan ersätta de oljebaserade produkterna. Det är svårt att säga att de skulle vara miljövänligare per se, eftersom man då borde beakta också till exempel transporter och tillverkning, men vi pratar om dem som kolneutrala, säger Stefan Willför, professor i förnybara materialens kemi vid Åbo Akademi.
– Det behövs egentligen inga stora förändringar i produktionskedjan, men de stora industrierna är sällan mottagliga för förändring så antagligen kommer det att växa upp små företag för tillverkning.
Stefan Willför (t.v.) och Chunlin Xu.
Mera ut ur trädet
Ett nytt område man riktat in sig på är att utveckla biologiskt nedbrytbara polymerer för 3D-printning. Träd består till cirka 95 procent av cellulosa, hemicellulosor och lignin. Genom att slå ihop två eller flera av dessa material kan man skapa nya, för ändamålet lämpade kompositmaterial.
En möjlighet som kombinerar ett stort mänskligt intresse med ett ekonomiskt intresse är biomedicinsk 3D-printning. Tanken är att man ur ved ska utveckla biologiskt nedbrytbara material som går att printa ut för olika medicinska ändamål. För tillfället försöker man ta fram material för till exempel printbara mediciner och implantat.
– En fördel med naturliga polymerer är att de är mycket biokompatibla. Ren cellulosa borde kroppen inte stöta bort. Det är en konkurrensfördel inom biomedicinen, säger Willför.
Exakt vad det är som gör naturliga polymerer mera biokompatibla än syntetiska dylika har forskarna inget säkert svar på. Chunlin Xu, docent i polysackaridkemi vid Åbo Akademi, tar sig friheten att spekulera.
– Människans kropp är främst gjord av protein och polysackarider. Naturmaterialen vi pratar om är främst socker, som sackaros och cellulosa. En orsak till att de är kompatibla kan vara att de har vissa likheter i sin kemiska struktur, säger Xu.
Willför säger att den stora styrkan i 3D-printning är möjligheten till print-on-demand.
– Det gör att du inte behöver ha en massa varor i lager. Du har råmaterialet. Det kan du använda till att printa en vara så som du vill att den ska se ut då du behöver den, säger Willför.
– Ta till exempel implantat, sårläkningsprodukter eller benvävnad – du kommer att kunna specialtillverka dem enligt den storlek och den form du behöver.
Xu poängterar att materialen man utvecklar inte behöver begränsa sig till det biomedicinska området och läkemedelsbranschen, men att det inom dessa behövs tekniskt avancerade och detaljerade produkter som också bär ett högt ekonomiskt värde.
– Vi understryker bioapplikationerna men det går också att skapa material för byggnader, förpackningar, biosensorer eller något mera allmänt. Sedan kan man printa vad man behöver också i komplexa strukturer, säger Xu.
Nya material tas fram. För tillfället fungerar 3D-printern vid laboratoriet för trä- och papperskemi vid Åbo Akademi genom att smälta polymjölksyra, PLA. Temperaturen i printern är under utskrift normalt 210 grader och som mest upp till 230 grader.
– Tanken är att de bionedbrytbara polymererna ska gå att printa i lägre temperatur, vilket sparar på energiförbrukningen och dessutom bibehåller de naturliga egenskaperna, säger Willför.
Nya material för ny teknik
Kompositmaterial är två polymerer som blandas ihop. Utvecklingen av nya sådana material sker vid Åbo Akademi i samarbete med flera olika företag som tillverkar råmaterialen, det vill säga polymererna i ren form.
Hälften av trädets volym består av hemicellulosa och lignin. En efterfrågan på dessa polymerer skulle vara guld värd för råvarutillverkarna.
– Det finns egentligen inga naturliga polymerer som är kommersiella i större skala ännu. Det som kommer närmast är PLA, polymjölksyra. Det är det vi använder i printern nu. Det optimala skulle vara att kunna använda de vedbaserade polymererna efter vissa modifikationer, men vi tänker styra utvecklingen via biokompositer av PLA, säger Willför.
– Vi kan arbeta med råmaterialet och göra kemiska och enzymatiska modifieringar så att det går att använda i en 3D-printer. De rena polymererna lämpar sig bäst att printa ur en viskös lösning som är en lite annan typ, men om man gör biokompositer som PLA kan man printa med så kallad hot melt. Det betyder att man har en polymer som smälter under printningen.
Problemet med PLA är att den inte är biologiskt nedbrytbar. I förlängningen är möjligheterna att utveckla standardpolymererna eller modifiera PLA och göra den bionedbrytbar. Hit har forskningen ännu inte hunnit.
– Det finns grupper som sett lite på cellulosa, stärkelse och alginater, men de är, som oss, på försöksstadiet, säger Willför.
Om det går som forskarna hoppas kommer människor i framtiden att ha 3D-printrar hemma. Sedan köper de polymerer med vilka de kan printa vad de behöver.
– Det är knappast så långt borta. De enklare printrarna kostar drygt tusen euro, säger Willför.
Det finns inte två likadana träd
Enligt Stefan Willför, professor i förnybara materialens kemi vid Åbo Akademi, finns det inte två träd som är helt likadana. Kemiskt finns det alltid en skillnad.
– Man har forskat i träd i flera hundra år men när man går ner på mindre och mindre nivå upptäcker man nya saker. Det är stor skillnad på träd och träd när man gör kemisk mikroanalys, det vill säga då man går in i så små vävnader som möjligt för att se hur kemin är uppbyggd.
Hur stor är skillnaden? Och hur stora kemiska världar är träd till sin sammanfattning?
– Skillnaderna är relativa. Det finns vissa likheter mellan löv- och barrträd, och samtidigt mindre detaljer som är helt olika. Hur cellulosan är uppbyggd kan innehålla strukturella skillnader och ju mer du närmar dig cellnivå, desto större skillnader finns det. Hemicellulosan i gran och björk är till exempel totalt olika. Också i ligninet finns det en hel del intressanta skillnader.
– Evolutionsmässigt är barrträden betydligt äldre än lövträden. Lövträden har också betydligt mera specialiserade celler på cellnivå. I barrträden har de mera allmänna uppgifter. Det här påverkar också den kemiska sammansättningen.
Men om vi tar två träd av samma art, till exempel två granar. Skiljer de sig till sin kemiska sammansättning?
– Det kan finnas stora skillnader. Vi tog två träd av samma trädslag som växte fem meter från varandra och extraktivämnena i dem var totalt olika, även om det bara borde ha varit små skillnader i halterna. Någon förklaring till det hittade vi inte.
– I skogsindustrin blir volymerna så stora att detaljerna jämnas ut. Du kan se om det är lövträd eller barrträd med några enkla kemiska analyser, men de små nyanserna försvinner.
Exempel på projekt inom PCC
Sensorer
Kan vara biomedicinska, men också av andra former. Johan Bobacka har redan tidigare använt modifierade polysackarider för sensormaterial. Tom Lindfors utvecklar grafen för diagnostik och sensormaterial.
Hydrogel
Johanna Ivaskas forskargrupp vid Åbo bioteknikcentrum behöver ett hydrogel för sina studier av bröstcancerceller. De kommersiella gelerna har visat sig vara för lösa för att cancercellerna ska kunna röra sig på rätt sätt. Preliminära försök med polysackarider visar att man kan göra gelet i olika stelhet. Forskningen görs i samarbete med University of Wollongong i Australien.
– Bröstcancerceller migrerar. De tar sig igenom en gel. Hittills har man använt tvådimensionella på petriskålar, det har inte varit bra för de beter sig annorlunda i bröstet. Vi kommer att kunna skräddarsy gelet, säger Willför.
3D-printning av läkemedel
Niklas Sandlers forskargrupp är intresserad av att kunna använda bionedbrytbara naturmaterial som matris vid 3D-printning av mediciner. Hittills har man använt PLA men i och med att sådan inte är nedbrytbar, kan det ställa till med komplikationer.
– Om du äter en massa piller och de inte bryts ned i kroppen kan de fastna i tarmen och förorsaka cancer, säger Willför.
Bioglas för implantat
Leena Hupas forskargrupp har länge utvecklat bioglas för implantat. Vissa typer av bioglas går att 3D-printa, vilket ger nya möjligheter. Tanken är också att man framöver ska kunna göra ett kompositmaterial som kombinerar de bästa egenskaperna ur biomaterial med de bästa ur bioglas.
Sårläkning
De polymerer som används för sårläkning (läs intervjun med Mikael Bergelin) kan också gå att printa för att skapa olika strukturer som får sår att läka snabbare. Polymererna kunde också användas i bioimplantat.