Biopolymerer är de viktigaste byggstenarna i alla naturliga material och levande organismer på jorden. De flesta växter består av cellulosa som har en förstärkande funktion, hemicellulosa som utgör en del av en matris och en tvärbunden fas bestående av lignin. Den mänskliga kroppen består av hårda och mjuka vävnader. Hårda vävnader såsom tänder och ben är uppbyggda av kollagen som förstärkts med kristaller av hydroxypatit eller av strukturella proteiner, såsom keratiner. De mjuka vävnaderna består av kollagener och polysackarider. Många djur, särskilt de som lever i vatten, använder huvudsakligen kitin som byggnadsmaterial och styr materialets hårdhet genom att inducera kalciumkarbonatkristaller i sina strukturer. De biologiska materialen är överlägsna konstgjorda syntetiska material när det gäller kombinationen av mekaniska egenskaper, såsom styvhet och seghet samtidigt som de har en mycket låg vikt. De är också mycket anisotropa och självreparerande.
Naturliga polymerer utnyttjades av människan redan under förhistorisk tid. Naturliga material såsom trä, löv, fjädrar och ben har använts i tusentals år som konstruktionsmaterial. Under de senaste femtio åren har naturliga material på många områden ersatts av syntetiska polymerer. Dessa polymerer, vilkas främsta fördel är den attraktiva kombinationen av lågt pris och god processbarhet, har dessvärre en negativ miljöpåverkan som bidrar till ackumulering av avfall och framtida brist på icke förnyelsebara resurser. Biopolymerer är ett bättre alternativ som råvara till material på grund av att de är förnyelsebara, biokompatibla och är dessutom bionedbrytbara. När de på nytt började användas som material för bara ett tiotal år sedan, baserades den första generationen av "nya" biopolymera material på direkt omvandling av kolhydrater och kollagener till plast. Dessa biopolymera material hade vissa brister. Framsteg inom den molekylära biologin har skapat nya möjligheter att "odla" skräddarsydda biopolymerer i växter, framställa dem i bakterier eller syntetisera dem med enzymer. Det saknas emellertid idag kunskap om sambandet mellan biopolymerers molekylära struktur, som idag kan ändras i det oändliga, och deras materialegenskaper. Det saknas också en teknologi för att på ett kontrollerat sätt omvandla biomakromolekyler till en hierarkisk struktur.
Det forskningsprogram som jag initierat har som syfte att utveckla den teknologi som behövs för att omvandla utvalda biopolymerer till avancerade biomakromolekylära material. Programmet fokuserar på att ändra den molekylära strukturen hos biopolymerer på enzymatisk och kemisk väg för att kunna styra deras förmåga att bilda fasta material med hierarkisk arkitektur (liknande den som finns i biologiska material). Av speciellt intresse är ytan och gränsytegenskaperna hos de nya biomimetiska materialen.
Part of the research team isolating hemicelluloses from birch tree.
Applikationsområdena för de nya materialen som ska tas fram i detta forskningsprogram sträcker sig från barriärskikt och filmer, nya fibrer, biobindemedel och biokompositer för bilindustrin till scaffolds för tissue engineering. Forsknings- och utbildningsinsatsen omfattar följande områden: Kemisk och enzymatisk modifiering av utvalda polysackarider (xylaner och amyloser), karaktärisering av molekylära strukturer och kartläggning av samband mellan strukturen och materialegenskaperna Supramolekylär organisation av skräddarsydda xylaner och amyloser i ytskikt och filmer, mikroporösa material, fibrer och biokompositer Kemisk, fysikalisk och enzymatisk tvärbindning av biopolymerer Kontroll av yt- och gränsytegenskaper hos biomakromolekylära material genom fasseparation och självorganisation. Polysackarider - modifiering, karaktärisering och självorganisation i filmer, mikroporösa strukturer och biokompositer. Xylaner och amyloser är bland de rikligast förekommande biopolymererna som biosyntetiseras i de allra flesta växter. Ändå används de inte som material. I samarbete med Biobased Materials Center vid Virginia Tech, USA, isolerar vi makromolekylära xylaner från olika växter. Vi använder både enzymer och våtkemi för att ändra xylanernas molekylära struktur och kartlägger effekten av deras struktur på materialets egenskaper och möjlighet att växelverka med andra polysackarider såsom cellulosa. Försök görs också att framställa linjära xylaner och utvärdera sådana polymerer som råvara för fiberframställning. Adsorption av skräddarsydda xylaner på ytor av lignocellulosa kan användas för framtagning av fibrer med skräddarsydda ytegenskaper. Amyloser utgör en annan viktig polysackarid. Funktionella grupper, som möjliggör tvärbindning, självorganisation och styrd fasseparation tillsammans med styrd interaktivitet med andra komponenter, kopplas till huvudkedjan av amyloser med hjälp av enzymer. Molekylär modellering kommer att användas för att förutsäga sambanden mellan strukturen och materialegenskaperna. Marina bioadhesiver Havstulpaner och musslor är för sin överlevnad beroende av sin förmåga att fästa vid ytor. För detta syfte har de utvecklat bioadhesiver som fäster på alla typer av våta ytor. All vidhäftning som utförs av dessa marina organismer sker i själva verket i närvaro av vatten och joner. Förståelsen för den "bioadhesiva teknologin" som utvecklats av naturen kan tjäna både som ett verktyg för att förhindra bildandet av bioadhesiv bindning och som en inspirationskälla för utvecklingen av nya medicinska "lim" som kan användas för ihopsättning av vävnader eller för att främja celladhesion i "tissue engineering" tillämpningar. I själva verket är kroppens vätskor mycket lika den marina miljön vad beträffar jonstyrkan. I detta program, som genomförs i samarbete med Center for Biotechnology vid Tufts University, USA, fokuserar vi på att isolera, separera och karaktärisera de proteiner som förekommer i den adhesiva fog som bildas av havstulpaner på olika underlag. Målet för forskningen är att generera tillräckliga kvantiteter av de olika proteinerna för att möjliggöra lämpliga biofysikaliska, biokemiska och mekaniska studier för att klarlägga härdningsmekanismen hos denna bioadhesiv. Mot ett uthålligt samhälle Vi hoppas kunna dra till oss internationellt erkända forskare och experter som kan associeras med detta forskningsprogram och bli gästforskare för kortare och längre perioder. Vi planerar att utveckla en kursplan som täcker många av de ämnen som våra doktorander studerar. Programmet, som består av korta kurser, ska också erbjudas industrin. En rad sommarskolor och kurser kommer att tas fram i samarbete med internationella forskare på detta område. Vi förutsätter att vi kommer att kunna erbjuda ett starkt samarbete med industrin och ett partnerskap för svenska och internationella företag. Det förefaller ganska sannolikt att några innovationer kommer att leda till att nya företag startas. Vi tror att de biomolekylära material som kommer att utvecklas inom detta program kommer att leda till en övergång mot ett mer uthålligt samhälle, men de kommer också att förbättra inte bara miljön utan också livskvaliteten.
(Texten publicerades 2000 i skriften Ny kunskap.)
An hierarchical organisation of cellulose visualised by Atomic Force Microscopy.