Trippla publikations-framgångar för kandidatarbeten

Att ett kandidatarbete blir publicerat i en vetenskaplig tidskrift är förhållandevis ovanligt. Att tre kandidatarbeten med kopplingar till samma forskargrupp kan omsättas till vetenskapliga publikationer inom loppet av endast tre månader är att betraktas som direkt sällsynt. Men i Elsebeth Schröders forskargrupp på avdelningen för kvantkomponentfysik har just denna bedrift blivit ett faktum. För att fira har Elsebeth bjudit in samtliga tre studentgrupper till tårtkalas på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap.

– Det känns såklart kul! Jag var inte alls beredd på det här, säger Alva Limbäck, som tillsammans med Olof Hildeberg, John Bolin och Amanda Goold fick artikeln A density functional theory study of amino acids on pristine Mg(0001) and with sparse alloying elements publicerad i Applied Surface Science så sent som i augusti.

Vill förbättra nedbrytbara implantat

Gemensamt för alla tre kandidatarbeten är att de utforskar hur implantat gjorda av magnesium interagerar med den mänskliga kroppens biologiska miljö. Till skillnad från titan- eller stålimplantat är magnesium ett biologiskt nedbrytbart material, och kan alltså brytas ner och absorberas av kroppen när det har fyllt sin funktion. Den här typen av nedbrytbara implantat används redan idag, om än i begränsad omfattning, framför allt som skruvar för att fixera benfragment efter benbrott.

– Det här innebär att man inte heller behöver operera bort implantatet när benet har läkt, vilket ofta är fallet med andra material, förklarar Olof Hildeberg.

Materialet är också intressant för så kallade stentimplantat som används i blodkärl efter exempelvis en kärlförträngning.

– Till skillnad från traditionella stentar, oftast tillverkade av metall som finns kvar permanent i kroppen, korroderar magnesiumet successivt i kroppsvätskor och omvandlas till ämnen som kroppen kan ta hand om på naturlig väg, förklarar Elsebeth Schröder, professor i kvantkomponentfysik, och handledare till de tre kandidatarbetena.

Men i utvecklingen av magnesiumbaserade implantat är tajmingen av stor betydelse. Nedbrytningen behöver ske i rätt takt, så att kroppen hinner läka innan implantatet bryts ned. Ett välkänt problem på området är att magnesiumimplantat bryts ner för snabbt, innan läkningen är fullbordad. För att optimera designen i den här typen av implantat behöver förståelsen för hur magnesium beter sig människokroppen öka.

Hur skyddar man magnesium från att brytas ner för snabbt?

Tillsammans har John, Amanda, Alva och Olof varit intresserade av att undersöka vad som händer när magnesium börjar korrodera i kroppen. Mer specifikt har de kikat på hur kroppens aminosyror glycin, prolin och hydroxyprolin – som finns i kollagen – kan användas för att skapa ett bättre skydd på magnesiumimplantatet. Resultaten visar att dessa aminosyror faktiskt kan användas för att bygga en skyddande yta på implantatet, speciellt när magnesiumet innehåller små mängder andra metaller. Dessa nyvunna insikter kan nu användas i utvecklingen av implantat som korroderar lite långsammare.

I artikeln Toward an understanding of magnesium in a biological environment: A density functional theory study, publicerad i AIP Publishing, har studenterna Miranda Naurin, Sally Aldhaim, Moltas Elliver, Ludwig Hagby och Didrik Nilsson undersökt saken från ett lite annat håll. Gruppen tittar här närmare på hur biologiska molekyler interagerar med implantatets yta och potentiellt bidrar till att styra eller bromsa nedbrytningsprocessen. Mer specifikt har de studerat hur magnesium och magnesiumhydroxid interagerar i en biologisk miljö. Magnesiumhydroxid är ett av de första ämnena som bildas på implantatets yta när det börjar brytas ned. Därför är det högintressant att lära sig mer om hur det beter sig när det kommer i kontakt med vatten och kroppsvätskor. De kikade främst på hur aminosyrorna glycin, prolin och glutamin – som finns naturligt i kroppen – påverkar ett magnesiumhydroxidlager på en magnesiumyta.

– Vi kunde se att magnesiumhydroxid inte binder särskilt starkt till magnesiumytan, utan kan röra sig relativt fritt över den. Vi kunde också se att om man adderade en aminosyra så hade det en viss påverkan på interaktionen, men vilken aminosyra det var gjorde knappt någon skillnad. Ett av de mest intressanta resultaten var att bindningen mellan olika lager av magnesiumhydroxid är betydligt starkare än bindningen till själva magnesiumytan. Det tyder på att magnesiumhydroxiden ”försvinner” i klump i stället för att brytas ner lager för lager, säger Miranda Naurin, huvudförfattare till artikeln.

Kunskapen kan bidra till utvecklingen av bättre ytbehandlingar och legeringar som ger en mer kontrollerad nedbrytning av exempelvis stentar, benskruvar och andra temporära implantat.

I somras fick också studenterna Anthony Veit Berg, Ablai Forster, Tim Hansson, Alex J. Jernstedt och Emmy Salminen sin artikel, “First-principle study of the influence of hydroxyapatite on magnesium surfaces,” publicerad i Physical Chemistry Chemical Physics.

De har undersökt hur hydroxylapatit, ett mineral som finns naturligt i vårt skelett och våra tänder, binder till ytan hos magnesiumbaserade implantat. De studerade både rent magnesium och magnesium som dopats med små mängder kalcium eller zink.

– Vi såg att både kalcium och zink oftast förbättrande bindningen mellan hydroxyapatit och magnesium men att resultatet berodde på var någonstans ytan dopades. Vi kunde också se att båda ytan och hydroxyapatit förändrades när de interagerade. Ett intressant resultat var att den dopade kalciumatomen i vissa fall flyttades från magnesiumytan in i hydroxyapatit-lagret vilket påverkade struktur och energi för systemet, säger Anthony Veit Berg.

Alla tre grupper har använt datorsimuleringar baserade på täthetsfunktionalteori (DFT) i sina studier. 

Gav mersmak för forskarkarriär

Att samtliga grupper fick sina resultat publicerade tror studenterna själva kan härledas både till resultat, samarbete och handledning.

– Jag tror att den främsta anledningen är samarbetet vi hade både inom gruppen och med vår handledare. Vi som grupp fungerade väldigt bra ihop och alla var vi drivande och jobbade hårt för att föra projektet framåt. Sedan hade vi också en ambitiös handledare som kunde se potentialen i både vårt projekt och i oss, säger Miranda Naurin. 

– Jag tror att arbetet kunde bli en publikation för att vi fick fram intressanta resultat som gav en bättre förståelse för hur hydroxyapatit interagerar med både rena och dopade magnesiumytor, resultat som är relevanta för utvecklingen av biologiskt nedbrytbara magnesiumimplantat, säger Anthony.

Kandidatarbetena slutfördes redan 2024 och 2025 och när studenterna nu samlas för att fira är flera mitt uppe i sina master-studier. Tack vare ett par amanuens-anställningar, finansierade av Styrkeområdena Nano och Materialvetenskap på Chalmers, har artiklarnas huvudförfattare kunnat arbeta fokuserat med att skriva klart gruppernas alster och få dem publicerade i de vetenskapliga tidskrifterna. Efter examen väntar karriärer i näringslivet, hoppas några. Men de tre publikationerna verkar också ha gett mersmak för en fortsatt karriär i akademin.

– Man blir definitivt mer sugen på att fortsätta inom akademin när man har testat på det, säger Miranda. Många av de andra runt bordet håller med.
– Ja, det här hjälper ju verkligen till, säger Olof.