Guri C. Wiggen/Ahmad Rashad Saad Mahamed/Odontologisk avd/UiB (Bilde: Guri C. Wiggen/Ahmad Rashad Saad Mahamed/Odontologisk avd/UiB)

3D-PRINT

De vil printe nye bein til deg

Norske forskere kaller det en revolusjon: Ved hjelp av en 3D-printer kan du i fremtiden få nytt bein av nanocellulose.

  • 3D-print

Legevitenskapen har klødd seg i hodet lenge for å finne en løsning for bein som ødelegges ved aldring, bein som blir smadret, bein som knuses og bein som mangler ved fødselen.

Det er heller ikke lett å transplantere, altså å flytte bein fra et sted til et annet. Hvert bein på hvert sted har sin struktur, tetthet og egenskaper. Liv kan gå tapt ved mislykkede transplantasjoner.

– Dette er en revolusjon og målet er å gjenskape beinstruktur som i dag ikke finnes.

Seniorforsker Kristin Syverud ved PFI (Papir- og fiberinstituttet AS) i Trondheim har gjort banebrytende funn.

Beinstruktur kan snart bygges med en gelé av nanocelluose, som Syveruds team utvikler i samarbeid med odontologisk avdeling ved Universitetet i Bergen. Dette er ett av de fem store nasjonale forskerprosjektene innen nanoteknologi i Norge, finansiert av Forskningsrådet gjennom Nano2021-programmet.

Forskere ved Institutt for klinisk odontologi ved Universitetet i Bergen og Syveruds team jobber sammen i kampen om å finne framtidens beste løsning for oppbygging av beinstruktur.

– Vi har trykket ut en tredimensjonal bit i nøyaktige proporsjoner gjennom 3D-printeren. Ta eksempelvis en kjeve, som har blitt knust i en katastrofal ulykke. Geleén av nanocellulose (materialet) inneholder 98 prosent vann og 2 prosent nanofiber. Selv med denne blandingen er det mulig å trykke tredimensjonalt.

Fakta

NORCEL (the Norwegian nanocellulose technology platform): Ett av fem nasjonalt koordinerte forskerprosjekter innen nanoteknologi i Norge, finanisert av NANO2021-programmet i Forskningsrådet.

NORCEL er initiert og ledet av PFI med Kristin Syverud som prosjektleder. Visjonen med NORCEL er å utvikle en internasjonalt ledende forskningsplattform for produksjon av nanocellulose, kontroll av egenskapene til nanocellulose-byggesteinene, samt å lage tredimesjonale strukturer av dem.

NORCEL forsker på anvendelsen av nanocellulose i tre helt ulike fagfelt; i papir og emballasje, innen utvinning av olje, og innen regenerering av ødelagt beinvev (tissue engineering). Denne artikkelen handler om nanocellulose for å regenerere ødelagt beinvev.

De som er aktivt med i tissue engineering-delen av NORCEL-prosjektet i tillegg til Kristin Syverud er forsker Ellinor Heggset (PFI), senioringeniør Ingebjørg Leirset (PFI), professor Kamal Mustafa (UiB) og dr. student Ahmad Rashad (UiB). For mer informasjon om NORCEL-prosjektet, se http://www.pfi.no/New-Biomaterials/Projects/NORCEL/

Kristins Syveruds begeistrede stemme smelter i et stort smil. Nå jobber hun på et område innen nanocellulose hun virkelig brenner for, et prosjekt hun startet i 2013. Dette er hennes tredje felt innen forskning på bruk av nanocellulose.

Levende celler

Grunnsteinene ble lagt i 2010, da hennes team begynte å forske med levende celler som ble brakt i kontakt med overflaten av denne nanocellulose-géleen.

– Vi ville sjekke om det skjedde noe med cellene, med DNA, med mitokondrier, og så videre. Nå bygges stein på stein med kunnskap. Andre forskere i verden jobber også med nanocellulose, men vi er blant de første som startet akkurat dette. Vi deler kunnskap i forskningsmiljøene internasjonalt, på konferanser og i vitenskapelige journaler. Da legger man sine funn åpne for andre.

Syverud skal selv ferdigstille en ny vitenskapelig rapport om forskningen på nyåret. 

– Og det skal gå sakte fram, for at vi skal være 100 prosent sikre på at det blir trygt å bruke. Det finnes eksempler hvor man har gått for fort fram. Det ble nylig vist en dokumentar hvor de i Sverige satte inn et struperør skapt gjennom «tissue engineering», som resulterte i at flere pasienter døde fordi kroppen ikke aksepterte materialet som ble brukt.

Kristin Syverud har utviklet et nært samarbeid med forskere ved Universitetet i Bergen.

– Vi jobber med materialet og odontologi i Bergen med professor Kamal Mustafa jobber med cellene. Det er et svært tett samarbeid. Det starter med stamceller fra pasientens ryggmarg. Disse cellene er uspesifiserte og kan utvikle seg til forskjellig type vev. Dette handler om å stimulere disse cellene slik at det blir til akkurat det vevet pasienten trenger.

Vant årets idépris

I 10 år har UiB og professor Kamal Mustafa ved institutt for klinisk odontologi ledet en forskergruppe med ambisjon om å gjenskape bein med andre materialer. Hans team vant årets Idépris, der juryen la vekt på at dette er et  fagmiljø som leder an i sitt forskningsfelt. Fagområdet, rekonstruksjon av menneskers bein, er i rivende utvikling og har stort klinisk potensial.

Det handler mye om hvordan ideene vil bli gjennomført og brakt ut til markedet og samfunnet.

Bilde 1: Først foredles trær slik at man får fram ren cellulose og de tynneste fibrene, fibriller - eller nanocellulose. Fibrillene fremstilles slik at de egner seg som stillas for celler. Disse danner en gel når de dispergeres i vann. 
Bilde 1: Først foredles trær slik at man får fram ren cellulose og de tynneste fibrene, fibriller - eller nanocellulose. Fibrillene fremstilles slik at de egner seg som stillas for celler. Disse danner en gel når de dispergeres i vann.  Illustrasjon av Dr. student Ahmad Rashad Saad Mahamed ved odontologisk avdeling, UiB.

– Hvordan påvirker ditt samarbeid med Kristin Syveruds team din forskning?

– Samarbeidet er svært viktig for begge parter. Kristin koordinerer dette i samarbeid med vår Ph.D-student Ahmed Rashad. Hun er på den kjemiske siden av saken, mens vi er på den biologiske. Innflytelsen dette samarbeidet har er signifikant. Vi forsøker å få til et bedre materiale med denne geléen. Fra medisinsk side kan vi teste det, sier Mustafa.

– Hva er forskjellen på dette materialet sammenlignet med andre du har brukt?

– Det er hovedsakelig de mekaniske egenskapene. Hydrogel (et annet ord han bruker for nanocellulose-geléen som inneholder 98 prosent vann, red.anm.) kan brukes annerledes. Andre materialer er stivere. Dette kan derfor brukes hvor defektene er mindre. Nanocellulose-gelé kan brukes alene eller kombineres med andre materialer. Potensialet med dette materialet er større, det er vår hypotese, som vi forsøker å bevise. Nanocellulose er også fiber, det ligner mest på kroppen av alle de materialene vi har brukt. Det kommer fra planter og det har aldri blitt brukt tidligere. Det betyr at dette er helt nytt. Målet vårt er å kunne bruke det til å gjenskape beinstruktur.

– Er dette materialet framtidens løsning?

– Vi kan ikke si det ennå fordi det er så nytt, men hypotesen er at dette kan brukes trygt til å regenerere bein. Vi har hatt stor framgang i forskningen de siste to år. Rottenes kropp reagerer fint på dette materialet, og vi har funnet ut at det ikke er giftig. Vi gjenskaper et naturlig miljø for rottene og implantasjonene virker å fungere veldig bra. Vi påstår ingen ting, men vår hypotese er at dette kan bli bra og brukes til å lage hovedsakelig bein.

– Hvordan gjenskaper man bein med geléen?

– Først blander vi geléen med cellene. Etter vi har testet materialer her og ser om det er trygt, trykker vi ut forskjellig design på en 3D-printer. Designet lages ved å scanne fram et nøyaktig nytt bein, eller beinfragment. Hardheten varierer etter hva vi skal bruke det til. Det er ikke bare bein som trykkes ut.

Kamal Mustafa er opptatt av å få fram hvor mye som kan gjøres og hvilket bidrag dette kan bli til samfunnet. Økt aldring og levealder i Europa skaper nye behov.

– Så snart vi har utviklet et produkt for klinisk bruk, vil en rekke sykdommer som skyldes beindefekter kunne lindres.

Bygging av vev

Bygging av selve beinstrukturen krever enormt fokus.

– For at det skal utvikles vev til beinstruktur er det nødvendig med et stillas eller klatrestativ som cellene fester seg på. Vi bygger stillaset med nanocellulose som byggesteiner. Da må stillaset være slik at cellene trives og fester seg der, og begynner å dele seg og gro gjennom hele strukturen. De organiserer seg til et vev. Da begynner cellene å jobbe med saken på egen hånd, dersom betingelsene er optimale. Det begynner å lage seg blodårer gjennom hele systemet.

Kristin Syverud viser fiber fra bambus som eksempel på hvor lik den hierarkiske oppbyggingen av trestruktur og beinstruktur er, basert på henholdsvis cellulosemolekyler og collagen-molekyler. Slik kan man se at kroppen har godtatt og akseptert det nye materialet. Nanocellulose er naturens fiber, opprinnelig fra planter eller trær.

Fem viktige fokusområder

Hun viser til fem viktige fokusområder for forskerne:

  1. «Non toxic» betyr at det må være 100 prosent trygt å bruke.
  2. Porøsitet. Det må ha riktig porøsitet, porer som er passe store for cellene. Riktig porøsitet er viktig for at blodårer skal trenge gjennom dette materialet.
  3. Styrke, mekaniske egenskaper. Hvor mye tåler geléen av belastning og trykk?
  4. Overflatekjemi. Her gjelder det å finne dem optimale overflatekjemien for cellene slik at de gror og vokser på «klatrestativet» også kalt «stillas».
  5. 5. Nedbrytning. Dette betyr at stillaset til slutt kan brytes ned til glukose, som absorberes i kroppen.

Bilder av forskningen viser en variant av celler som stekker seg utover og organiserer seg gladelig i vevsform, og andre celler som trekker seg sammen som små baller og ikke vil være med på leken. Noe er feil med overflatekjemien. Ved liten variasjon i materialet, ser man tydelig forskjell på cellenes reaksjon.

Stamceller kan bli alt

– Stamceller kan bli bein, brusk, muskler og sener. Det er mange faktorer som påvirker stamcellen. Det er derfor viktig å finne styrken i nanocellulosen. Cellene vil ha et stillas med styrke som ligner på den styrken som vevet til slutt får. Vi jobber nå med å kontrollere styrken i stillaset. Stillaset vil gradvis forsvinne ettersom beinstrukturen tar over. Det er ikke sikkert det må forsvinne, men vi ser for oss at det vil skje. Når det brytes ned blir det bare sukkermolekyler (druesukker- glukose) som kroppen absorberer. Det er til og med et næringsstoff til kroppen.

Tredimensjonalt: Seniorforsker Kristin Syverud jobber sammen med professor Kamal Mustafa og Ph.D-student Ahmed Rashad med å erstatte ødelagte bein i menneskekroppen gjennom 3D-printing.
Tredimensjonalt: Seniorforsker Kristin Syverud jobber sammen med professor Kamal Mustafa og Ph.D-student Ahmed Rashad med å erstatte ødelagte bein i menneskekroppen gjennom 3D-printing. Foto: UiB

Det er tre «byggesteiner» som skal til for å lage dette resultatet. Celler, stillaset eller klatrestativet og signalmolekyler(næring).

– Cellene og signalmolekylene er Bergen sitt ansvar, men stillaset er vårt ansvar. Cellene må ha de riktige næringsstoffene, de må spise for å vokse. Signalmolekyler er derfor vekst-stimuli for cellene. De trenger proteiner og en passende blanding av mineraler og sukker.

Leser seg opp

Kristin Syverud forteller i sin iver etter framgang ofte går løs på litteratur som hun egentlig ikke har greie på. På et medisinsk felt som slett ikke er hennes.

– Jeg får ut essensen og klarer slik å finne på noe nytt og dagsaktuelt fra mitt ståsted. Det er annerledes enn fra medisinernes ståsted. Men jeg er ikke redd for å gå løs på noe som kommer fra et annet fagfelt. Det er slik jeg blir i stand til å diskutere dette med andre, som har et perspektiv fra sitt ståsted. Vi kan gjøre tusen ting med nanoteknologi og nanocellulose, vi måtte bare velge retning, og for meg er beinstruktur noe veldig meningsfylt. Jeg venter i spenning på en ny søknad i Forskningsrådet.

– Hva er din største drøm?

– Drømmen min er å kunne bidra til å hjelpe mennesker som har store problemer, til å få et normalt liv. Folk som har falt utenfor på grunn av en fysisk hemmelse. Det hadde vært fantastisk å kunne hjelpe et menneske til å gå igjen.

Kommentarer (0)

Kommentarer (0)