Tulevaisuuden mikromoottori kuljettaa lääkeaineen kasvaimeen

Saima 2/2016

Mikro- ja nanotason tutkimus on mullistamassa perinteistä kemian tutkimusta. Uusia ratkaisuja etsitään parhaillaan muun muassa täsmälääketieteen ja ympäristönsuojelun käyttöön.

Perinteisestä makromittakaavan kemian tutkimuksesta halutaan nyt siirtyä mikro- ja nanotasolle, sillä näin saadaan menetelmiä kehitettyä entistä tehokkaammiksi.

– Kemialliset prosessit ovat todella nopeita ja tehokkaita mikro- ja nanomittakaavassa. Materiaalia tarvitaan vähemmän, ja tutkimusta voidaan tehdä ympäristöissä, joissa makroskooppisia laitteita ei voida käyttää. Tutkimusta voidaan soveltaa tietenkin myös muille aloille kuin vain kemiaan, kertoo professori Janne Jänis Itä-Suomen yliopiston kemian laitokselta.

– Meillä mielenkiinnon kohteena ovat erilaiset mikro- ja nanomoottorit, joihin yritämme etsiä sopivia materiaaleja. Mikro- ja nanomoottorien konsepti on yksinkertainen: kiinteät partikkelit pystyvät ottamaan ainetta itseensä ja kuljettamaan sitä kohdistetusti tiettyyn paikkaan tai katalysoimaan haluttuja kemiallisia reaktioita. Partikkelit liikkuvat liuoksessa autonomisesti, yleensä kemiallisen polttoaineen, magneettikentän, ultraäänen tai laservalon avulla.

Kuljetettava aine voi olla esimerkiksi lääkeainetta. Polymeeristä tai metallioksidista valmistetussa mikrosauvassa voi olla syöpälääkettä, ja pH-arvon tai lämpötilan muuttumisen avulla se viedään kohteeseen ja vapautetaan sinne.

– Maailmalla on jo tehty kliinisiä kokeita lääkeaineen kuljettamisesta, mutta kaupallisia sovelluksia ei vielä ole, sanoo Jänis.

– Sovelluksia tutkitaan vielä pääasiassa keinotekoisilla solulinjoilla. Niiden avulla selvitetään, kuinka lääkeainekuljettimet pääsevät esimerkiksi solukalvon läpi. Ympäristösovelluksissa taas tutkitaan esimerkiksi toksisten aineiden tai öljyn poistoa vedestä.

Itä-Suomen yliopistossa keskitytään vielä paljon perustutkimukseen eli eri materiaalien tutkimukseen: mitkä materiaalit eivät ole toksisia ihmisen elimistölle, mitkä hajoavat elimistössä tai mitkä poistuvat itsestään ruoansulatuksen tai aineenvaihdunnan kautta.

– Olemme tutkineet muun muassa mangaanioksidia, halpaa pulveria, jota voi ostaa kaupasta. Vuonna 2015 julkaistussa tutkimuksessamme täytimme polymeeritemplaatin kolot elektrokemiallisesti mangaanioksidilla. Tällä tavoin valmistetut mikromoottorit saatiin liikkumaan samalla tavalla – ja jopa nopeammin – kuin kalliit jalometalleista valmistetut mikromoottorit. Mangaanioksidi olisi muutenkin hyvä valinta materiaaliksi, sillä se on halpaa, sitä on hyvin saatavilla ja se periaatteessa hajoaa alhaisissa pitoisuuksissa vaarattomiksi mangaani-ioneiksi, toteaa Jänis.

– Yksi tutkimuksellinen haaste lääkeainesovellutusten kannalta on selvittää, miten materiaali saadaan liikkumaan elimistössä tehokkaasti. Verenkierron avulla aineet kulkeutuvat tietenkin kaikkialle, mutta miten liikettä saadaan kontrolloitua? Esimerkiksi kasvainsolujen pH-arvo on normaalisoluja alempi, ja tätä omaisuutta voidaan käyttää hyödyksi lääkeaineen vapauttamisessa kuljettimesta. Myös lämpötila voi olla erilainen lähellä kasvainta. Mikro- tai nanomoottoria voidaan liikutella esimerkiksi heikolla magneettikentällä tai ultraäänellä.

Mangaanioksidipohjaisten mikromoottoreiden avulla voitaisiin hajottaa myös orgaanisia myrkkyjä jätevesistä. Esimerkiksi atsovärit ovat Jäniksen mukaan iso ongelma luonnossa, koska niitä käytetään niin paljon.

– Testasimme hiljattain kaupallisten mangaanioksidipartikkelien käyttöä kahden eri atsovärin, rodamiinin ja metyleenisinisen poistamisessa vedestä. Mangaanioksidi pinta-aktiivisena aineena pystyi poistamaan ne kokonaan liuoksesta. Mangaanioksidi toimii kahdella tapaa. Se muuttaa väriaineen vaahdoksi, jolloin väri voidaan kerätä pois. Lopun liuokseen jäävän väriaineen se hajottaa kemiallisesti vapaiden radikaalien avulla.

– Olemme parhaillaan kehittämässä menetelmää myrkyllisten raskasmetallien, erityisesti lyijyn, kadmiumin ja elohopean poistamiseksi jätevesistä mikropartikkelien avulla.

– Tulevaisuudessa mikrokuljettimia voidaan mahdollisesti käyttää täsmälääketieteessä. Suun kautta otettavat lääkkeet kulkeutuvat joka puolelle elimistöä, mutta mikromoottorin avulla voidaan tähdätä suoraan hoidettavaan kohteeseen. Ehkä jopa ihmisen omia punasoluja voidaan valjastaa lääkeaineiden kuljettimiksi. Esimerkiksi rautaoksidipartikkeleilla käsiteltyjä punasoluja on jo voitu ohjata ultraäänen avulla erilaisissa biologisissa nesteissä. Tällaisten mikrokuljettimien etu on se, että ihmisen immuunijärjestelmä ei pyri tuhoamaan niitä.

 

Näin toimii mikromoottori

  • Mikro- tai nanomoottori voidaan rakentaa esimerkiksi piipartikkeleista, metalleista ja polymeereistä. Se voi olla puolipallon, levyn, putken tai jopa lähes umpinaisen pallon muotoinen. Mikrokuljettimessa voidaan käyttää esimerkiksi kolmea erilaista metallia, kultaa, nikkeliä ja platinaa, joista jokaisella on oma tehtävänsä.
  • Noin 20 mikrometriä halkaisijaltaan olevia pallomaisia piioksidipartikkeleita voidaan käyttää templaattina. Pallon pinta sputteroidaan eli pallon pinnalle höyrystetään ohut kerros metalliatomeja muutaman kymmenen nanometrin paksuudelta. Sputterointi voidaan tehdä esimerkiksi vain pallon toiselle puolelle. Tämän jälkeen piipartikkelit hajotetaan kemiallisesti pois, jolloin jäljelle jää kupera tai kovera kuppi.
  • Itä-Suomen yliopiston tutkijoiden valmistamissa mikrokupeissa platina toimii katalyyttinä ja saa puolipallon liikkumaan laimeassa vetyperoksidiliuoksessa. Nikkeli reagoi ulkoiseen magneettikenttään, eli mikronanomoottoria voidaan liikuttaa magneetin avulla haluttuun suuntaan. Kultapintaa taas voidaan funktionalisoida, eli siihen voidaan tartuttaa orgaanisia molekyylejä kuten erilaisia rikkiyhdisteitä. Esimerkiksi pieni rasvapallo voidaan sitoa käsiteltyyn kultapintaiseen puolipalloon, ja näin rasvapalloa voidaan kuljettaa haluttuun paikkaan.
  • Mikro- tai nanomoottorin liikettä voidaan seurata mikroskoopissa laajakulmaobjektiivilla ja nopealla videokameralla, joka ottaa noin 50 kuvaa sekunnissa. Tietokoneella voidaan laskea mikromoottorin nopeus. Paras hyöty mikromoottoreista saadaan pienessä mittakaavassa – tehokkuus heikkenee heti kun koko kasvaa.


Katso videolta mikromoottoreiden liikettä: www.uef.fi/saima/mikromoottorit

     

 

Teksti: Marianne Mustonen, kuvat ja videot: kemian laitos