Mindre smertefuld og mere effektiv teknologi

Enhver patient, der har haft nærkontakt med et kateder eller et endoskop, ved, at mødet mellem krop og teknik kan gøre ondt. Men ny indsigt i kroppens slimhinder og naturlige smøremidler kan bruges til udvikling af medicinsk teknologi, der er både mindre smertefuld og mere effektiv. Og måske kan viden om kroppens slim og naturlige smøremidler ligefrem bane vejen for, at vi i fremtiden kan erstatte smøreolier med vandige og mere miljørigtige smøremidler.

Ind til for nylig har der været overraskende unuanceret indsigt i, hvordan kroppens slim fungerer som smøremiddel. Det satte lektor Seunghwan Lee fra Sektion for Materiale- og Overfladeteknologi sig for at undersøge nærmere. Og han er godt i gang med at afdække, at slim ikke bare er slim. Slimens funktion som smøremiddel hænger både sammen med, hvilken levende organisme og hvilket organ slimen skal fungere i.

Finder strukturer på nanoplan

Det er forskelle på molekylært plan – altså nanoniveau – der giver de forskellige typer slim deres forskellige karakteristika. Slim består bl.a. af bestemte polymerer, muciner, som har en fysisk struktur, der minder lidt om en flaskerenser. Muciner er opbygget af et skelet af proteiner, og på disse sidder der kulhydratkæder, som stritter ud til siderne. Mucinerne er gode til at absorbere vandmolekyler, og samtidig udgør de et effektivt værn mod både giftstoffer og patogener.

Seunghwan Lee har bl.a. udført forsøg med slim fra køer og grise. Her har han fundet ud af, at der er meget stor forskel på de muciner, der findes i henholdsvis mave og mund. Muciner i mavens slim kan kun fungere optimalt, når pH niveauet er lavt. Men i munden skal pH niveauet være tæt på neutralt, for at spyttet og slimhinderne kan fungere.

picture1_jpg 

Biomimetik

Indsigten i muciner kan være en central nøgle til at udvikle mere målrettet og patientvenlig medicinsk teknologi. For man kan gøre medicinske instrumenter, der skal i kontakt med kroppen, langt mere effektive, hvis man ved, nøjagtig hvilken mikrostruktur teknologien skal spille sammen med. Nogle gange er det lettere at betjene en teknologi, hvis den ikke smutter for let i kontakten med vævet. Andre gange er det mere optimalt med en meget blød og glat kontakt.

Forskningsvinklen, hvor man bruger naturens løsninger som inspiration til udvikling af moderne teknologi – biomimetik – tog for alvor fart i 1990-erne. Samtidig begyndte man at interessere sig mere for sammensætningen og funktionen af slimhinder. Så der findes allerede en del forbedringer indenfor medicinsk teknologi, som netop har udnyttet indsigten i kroppens egne løsninger. Men forskningsområdet er nyt, og der er stadig rigelig plads til forbedringer i forhold til at udvikle bedre og mere sikkert udstyr. Her har Seunghwan Lee et ønske om, at resultaterne fra hans forskning kan være med til at gøre en forskel.

Kontaktlinse skal både være ru og glat

Seunghwan Lee bruger selv noget så hverdagsagtigt som en kontaktlinse til at forklare, hvor vigtigt det er at kunne kontrollere de friktionsmæssige egenskaber ved medicinsk teknologi eller andre hjælpemidler. En kontaktlinse må f.eks. ikke være for glat på den side, der vender ind mod øjets hornhinde. For så vil den glide rundt på øjeæblet. Men på ydersiden, hvor den grænser op til indersiden af øjenlåget, må der til gengæld ikke være for stor friktion. For så vil øjenlåget trække rundt med kontaktlinsen. Tilsvarende skal en sonde til mad eller et endoskop til en kikkertundersøgelse helst yde så lidt modstand som muligt, når slangerne skal finde vej ned i mavesækken.

Kroppen som inspiration for industrien

Seunghwan Lee nøjes ikke med at tænke i kroppens smøremidler og udvikling af medicinsk teknologi. Han forsker også i, hvordan man kan bruge kroppens løsninger som inspiration til at udvikle effektive industrielle smøremidler uden brug af olie. Kroppen kan fungere med vandbaserede smøremidler – så spørgsmålet er, hvad skal der til for at maskiner også kan bruge vand som smøremiddel.

Vand klarer ikke de store tryk

En af barriererne er, at vandbaserede smøremidler kun kan klare et kontakttryk på op til 10 MPa. De 10 MPa svarer nogenlunde til det tryk, der er inde i vores led, og leddene er netop de steder i kroppen, hvor kontakttrykket typisk bliver højst. Så denne øvre grænse passer fint med smøremidlets opgave i en menneske- eller dyrekrop. Men industriens maskiner arbejder ofte med et tryk langt over 100 MPa. Her bruger man olie-i-vand-emulsioner, men vand fungerer ikke alene som smøremiddel i disse sammenhænge – endnu. For det er Seunghwans helt klare mål at udfordre den begrænsning. Her vil Seunwhan Lee’s bruge kroppens løsninger som inspiration for at syntetisere forskellige molekyler med en optimal kemisk og fysisk struktur til brug i industrielle sammenhænge. Og kan han være med til at knække denne kode, så vil man i en forskellige række sammenhænge kunne erstatte miljøskadelige stoffer med langt mere harmløse.

dsc_7373_jpg

Seugwhan Lee 

 

Faktaboks:

Seugwhan Lees forskning i smøremidler fordeler sig over to projekter.

Det ene projekt, som fokuserer på at afdække sammensæningen og funktionen af kroppens egne smøremidler har titlen: ”ERC START Soft, Slimy, Sliding Interfaces: Biotribological Properties of Mucins and Mucus gels. Projektet er fuldt financieret via Det Europæiske Forskningsråd (ERC) med 10,6 mio. DKK. Projektet løber i 5 år frem til ultimo marts 2016. Projektet udføres i samarbejde med Enzym og Protein Kemi, Institut for Systembiology, DTU.

Det andet projekt, som fokuserer på at overføre indsigt i kroppens egne smøremidler til industriel anvendelse har titlen: ”A Biomimetic Approach to Lubricate Engineering Materials”. Det har et totalt budget på 5,4 mio. DKK og heraf har Forskningsrådet for Teknik og Produktion (FTP) støttet med 4,7 mio. DKK. Projektet løber over 3 år og er færdigt ultimo marts 2015. Projektet udføres i samarbejde med Dansk Polymer Center DTU, Institut for Kemiteknik DTU.  

 

http://www.mek.dtu.dk/Forskning/Temaartikler/Mindre_smertefuld_og_mere_effektiv_teknologi
22 NOVEMBER 2017