Image
Pål Grønstad i full gang med å produsere ansiktsvisirer for brukere i helsesektoren. Foto: Privat.

Pål Grønstad i full gang med å produsere ansiktsvisirer for brukere i helsesektoren. Foto: Privat

Materialforskere i frontlinjen mot korona-viruset

Materialforskerne trapper opp kampen mot korona-viruset: De kan bidra i utviklingen av smittevernutstyr, vaksiner, tester og nye behandlingsformer.

Førsteamanuensis Sabrina Sartori deltok nylig på et internasjonalt web-seminar for materialforskere med hele 800 deltakere. Foto: Bjarne Røsjø, Titan/UiO

Norske teknologimiljøer har til nå produsert over 30 000 ansiktsvisirer som helsepersonell kan bruke for å beskytte seg mot korona-viruset, etter at Facebook-gruppen Makers mot Covid-19 ble opprettet 16. mars. Den norske gruppen er inspirert av en internasjonal gruppe som heter «Open Source COVID19 Medical Supplies», som har over 50.000 medlemmer.

– Dette er en nasjonal dugnad for å svare på mangelen på verneutstyr i helsevesenet, forteller ingeniør Pål Grønstad Solheim ved Institutt for teknologisystemer (ITS) på Kjeller. Han har selv produsert 200 slike visirer på 3D-printerne i instituttets laboratorium, Makerspace.

Produksjonen av ansiktsvisirer er ett blant mange eksempler på at materialforskere og teknologimiljøer gir viktige bidrag i kampen mot korona-viruset – og i den generelle utviklingen av helsevesenet. Biologene og de medisinske forskerne har kanskje fått mest oppmerksomhet på dette området, men de hadde kommet til kort hvis ikke materialforskerne var med på laget.

Førsteamanuensis Sabrina Sartori ved ITS deltok 16. april på et digitalt web-seminar (webinar) for materialforskere med hele 800 deltakere fra hele verden. Web-seminaret ble arrangert av Materials Research Society, som er en ideell organisasjon for materialforskere med ca. 14 000 materialforskere fra akademia, industri og myndigheter.

– Produksjon av smittevernutstyr er et viktig område for materialforskerne, men de kan også bidra til utviklingen av nye vaksiner, nye diagnostiske tester og nye behandlingsformer, forteller Sartori.

Smittevernutstyr hindrer spredning

På web-seminaret brukte forskerne mye tid på å diskutere hvordan de kan bruke 3D-printing til å utvikle og teste nye typer smittevernutstyr.

– Det er blant annet behov for en videreutvikling av de ansiktsmaskene med filtre som kalles N95. Navnet tilsier at de skal filtrere bort minst 95 prosent av luftbårne partikler når de er i bruk, forteller Sartori.

De eksisterende maskene får redusert effekt etter at de har vært i bruk noen timer, fordi fuktigheten i åndedrettet fører til at porene i filteret utvider seg. Materialforskerne jobber derfor med å utvikle filtre basert på nye materialer. Den gjennomsnittlige størrelsen på de ulike korona-virusene ligger omkring 120 nanometer, ifølge Wikipedia, men luftfiltre i ansiktsmasker kan være effektive selv om de ikke er i stand til å fange opp så små partikler.

– Virusene befinner seg nemlig som regel inne i små dråper, droplets, som selvfølgelig har større diameter enn selve viruset. Dermed stopper man mye av smitteoverføringen selv om porene i filteret er større enn selve viruset, påpeker Sartori.

Virus-testing på legekontoret

Materialforskerne jobber også med å utvikle nye diagnostiske tester. Den mest utbredte diagnostiske testen i dag er PCR-basert, det vil si at den finner og analyserer fragmenter av virusets arvestoff – RNA – i prøver som er tatt fra nesen eller svelget hos folk som skal testes. Dette er sensitive tester som gir pålitelige svar, men ulempen er at analysene må utføres ved sertifiserte laboratorier.

Det hadde vært en stor fordel om at det ble utviklet tester som er så raske og enkle at de kan brukes til det som kalles pasientnær analysering, eller Point of Care-testing (POC) som det heter på engelsk. En ekspertgruppe tilknyttet Verdens helseorganisasjon (WHO) har identifisert nye og raskere tester som det viktigste av åtte prioriterte forskningsområder.

De vanligste prøvene i dag blir altså tatt fra slimhinnene i luftveien, men i fremtiden kan det også bli mulig å lete etter viruspartikler i blodserum og utvikle POC-tester på det grunnlaget. 

– Når slike tester blir tilgjengelige, kan du gå til fastlegen for å få tatt en prøve og få svar i løpet av få minutter. Slike tester er billigere enn PCR og reduserer presset på de sentrale laboratoriene. De kan også brukes for eksempel på flyplasser eller jernbanestasjoner, for å identifisere mennesker som bør i karantene istedenfor å reise videre, antyder Sartori.

Diagnose med nanopartikler

SARS-CoV-2-viruset har en ytre membran dekket av pigger som består av et protein. En nanopartikkel som fester seg til dette proteinet kan fungere både som ny diagnostisk test og et nytt legemiddel.  Illustrasjon: CDC/Alissa Eckert, MS; Dan Higgins, MAM

Flere forskergrupper jobber nå med å utvikle diagnostiske tester basert på skreddersydde nanopartikler som fester seg til spesifikke områder på korona-viruset. Slike tester er allerede utviklet for andre koronavirus, ifølge en oversiktsartikkel i forskerbloggen Materials Connect.

Et mulig utgangspunkt er at korona-viruset har en ytre membran med små utstikkere eller «pigger» som kan minne om det ytterste laget av solens atmosfære, koronaen. Disse piggene består av et protein, og viruset bruker dette proteinet når det fester seg på overflaten til de cellene det forsøker å trenge inn i.

– På web-seminaret hørte vi at materialforskere allerede er i gang med å undersøke en jernoksid-holdig nanopartikkel som kan feste seg til dette proteinet. Hvis dette lykkes, kan det bety at det også går an å utvikle små elektroniske brikker – mikrochips – som identifiserer komplekset av virus og nanopartikler. Det er kjent fra før at liknende nanopartikler kan brukes til å identifisere både bakterier og andre virus, forteller Sartori.

Nanopartikler som legemiddel

Dermed er det ikke sagt at dette blir en lett oppgave. Det er blant annet en utfordring at korona-virusene er i stand til å mutere, og det kan føre til at både cellemembranen og «piggene» forandrer seg.

– Da må nanopartiklene funksjonaliseres slik at de binder seg til et område som ikke muterer så ofte, understreker hun.

De internasjonale materialforskerne diskuterte også hvordan det går an å utvikle nanopartikler som binder seg til viruset og ødelegger dets evne til å binde seg til kroppens celler. Da har de i praksis utviklet et nytt legemiddel mot korona-virus.

– Forutsetningen er naturligvis at det gjennomføres kliniske tester for å sjekke at denne nanopartikkelen ikke er skadelig for mennesker, understreker Sartori.

Vaksiner og modellering

De internasjonale materialforskerne tar i tillegg mål av seg til å være med på utviklingen av nye vaksiner mot SARS-CoV-2-viruset, som forårsaker koronavirus-sykdommen Covid-19. Da kan de delvis bygge på erfaringene fra utviklingen av en vaksine mot SARS-viruset i 2002/2003, som i prinsippet kom ganske langt.

– Men det virus-pandemien var forholdsvis kortvarig, slik at pandemien stanset opp før vaksinen var ferdig utviklet, påpeker Sartori.

Både materialforskerne og andre forskere som nå fokuserer på SARS-CoV-2 har i bakhodet at det vil komme flere virus-pandemier etter den vi nå er midt oppe i. Det er også fullt mulig at dagens virus vil komme tilbake i en ny bølge om et år eller to.

– Derfor er det åpenbart viktig å satse på forskning som gjør oss bedre i stand til å produsere bedre verneutstyr, til å utvikle raskere og mer presise diagnostiske tester, og til å utvikle nye vaksiner og legemidler. I tillegg kan digitale beregninger brukes til å modellere hvordan nanopartikler vekselvirker med viruset. Dette er spesielt viktig i en tid da vi har begrenset tilgang til laboratoriene. I tillegg må vi som er forskere bli flinkere til å bringe de forskningsbaserte ideene våre videre til innovasjoner og produksjon, oppsummerer Sartori.

Visirene kan bestilles

Det er meningsfylt å kunne være til nytte for helsepersonell som tar støyten i disse vanskelige tidene, sier Pål Grønstad Solheim. Foto: Privat.

Visirene som Pål Grønstad Solheim ved ITS og mange andre dugnadsdeltakere har produsert, kan brukes av helsepersonell på sykehus og sykehjem, eller hos fastleger, tannleger og andre helsearbeidere for å forhindre smittespredning. Visirene leveres gratis til helsepersonell som har behov og kan bestilles via et skjema på internett.

– Arbeidet ved ITS kom i gang etter et initiativ fra førsteamanuensis Jonas Moen og instituttleder Stian Løvold. De tipset om det frivillige arbeidet og sørget for nødvendige tillatelser fra fakultetet. Det er meningsfylt å kunne være til nytte for helsepersonell. Det er de som tar støyten i disse vanskelige tidene, sier Solheim til Titan.uio.no.

Regjeringen ba 11. april Norges forskningsråd om å lyse ut 30 millioner kroner til helseinnovasjon knyttet til korona-krisen. Dette var en utvidelse av Forskningsrådets egen hasteutlysning 11. mars, hvor det også ble utlyst 30 millioner kroner som norske forskere kunne søke på. I tillegg arrangerer Inven2 nå en ekstraordinær idépris på grunn av den pågående pandemien. Materialforskere har hatt full anledning til å melde seg på i disse utlysningene.

Kontaktpersoner:

Førsteamanuensis Sabrina Sartori, Institutt for teknologisystemer

Hovedingeniør Pål Grønstad Solheim, Institutt for teknologisystemer

Les mer på Titan.uio.no:

Vitenskapelige artikler:

Hortense Le Ferrand: Coronavirus & materials science. Blogg i Materials Connect, 13. februar 2020

Hortense Le Ferrand: How can materials science contribute to fighting against the new coronavirus? Blogg i Materials Connect, 30. mars 2020 Cormac Sheridan: Fast, portable tests come online to curb coronavirus pandemic. Nature Biotechnology, 23. mars 2020.