Uutiset

Materiaalia voi kouluttaa kuin Pavlovin koiraa – Professori Olli Ikkala tiimeineen kehittelee uusia materiaaleja

Tätä kaikkea keksii materiaalitutkijoiden terävin kärki: voiko materiaali ”oppia” uuden ominaisuuden tai miten säilyttää syöpäkasvain elävänä kehon ulkopuolella.
Olli Ikkala ryhmäkuvassa portaikossa viiden tutkijan kanssa, Ikkala seisoo portaikon edessä ja katsoo tutkijoita, tutkijat seisovat rappusilla peräkkäin.
Kuvassa vasemmalta Olli Ikkala, Zhongpeng Lyu, Hang Zhang, Sebastian Löscher, Bo Peng ja Nonappa. Kuva: Jaakko Kahilaniemi.

Joukko fyysikoita, kemistejä ja biolääketieteen asiantuntijoita työskentelee Olli Ikkalan tutkimusryhmissä. He kehittävät uusia materiaaleja, joiden ominaisuudet saavat inspiraationsa luonnosta.

Ollin ryhmässä on mutkatonta

”Kun olin työskennellyt Aallossa muutaman kuukauden tutkijana, silloinen esimieheni oli jäämässä eläkkeelle. Tarvitsin uuden tutkimusryhmän jatkaakseni aiheeni, erittäin ohuen materiaalin, tutkimista. Halusin työskennellä Olli Ikkalan ryhmässä, koska hänellä on moderni materiaalisynteesin laboratorio, lisäksi ryhmän tutkimusaiheet ovat hyvin monitieteisiä.

Tämä tapahtui ennen koronapandemiaa, joten kävelin vain suoraan hänen työhuoneeseensa keskustelemaan. Huomasin, että hänellä on kiinankielinen nimikortti ovessaan. En selvästikään ollut ensimmäinen kiinalainen, joka halusi tavata hänet.

Hän oli hyvin kiinnostunut hankkeestani, ja minusta tuli yksi hänen ryhmänsä jäsenistä. Olen tässä ryhmässä pystynyt rakentamaan uudenlaista yhteistyötä eri alojen ihmisten kanssa, ja tutkimusaiheeni on laajentunut huomattavasti.

Olli on myös kansainvälisesti tunnettu, esimerkiksi entinen tutkijakollegani Tukholman yliopistosta kehui hänen terävyyttään ja tarkkuuttaan vastaväittäjänä.

Korona-aikana Olli on varmistanut, että yhteistyö tapahtuu turvallisesti. Hän on järjestänyt tutkimusryhmän jäsenille etäkokouksia ja olemme grillanneet ulkona hänen kesämökillään.”

  • Zhongpeng Lyu, Aalto-yliopiston tutkijatohtori
     

Koulutamme geeliä Pavlovin koiran tapaan

”Tutkin materiaaleja, jotka oppivat reagoimaan uuteen ärsykkeeseen. Ivan Pavlov koulutti kuuluisassa kokeessaan koiraa soittamalla kelloa näyttäessään ruokaa. Koira oppi ensin yhdistämään kellonsoiton ruokaan ja sitten kuolaamaan heti kellonsoiton kuullessaan – vaikkei haistanut tai nähnyt syötävää.

Halusimme luoda materiaaleja, jotka noudattavat samaa ehdollistumisen logiikkaa; voisiko materiaalit saada käyttäytymään tavalla, joka muistuttaa yksinkertaisia oppimisprosesseja. Onnistuimme luomaan pehmeän, vedestä ja polymeereistä koostuvan geelin. Aluksi se sulaa vain lämmittämällä mutta ’oppii’ sulamaan, kun siihen kohdistetaan valoa. Geeli sisältää nanokokoisia kultahiukkasia. Kun geeliin kohdistetaan aluksi pelkkää valoa, mitään ei tapahdu. Mutta jos geeli kuumennetaan sulamispisteeseen samalla, kun sitä valaistaan, geeli ehdollistuu sulamaan. Seuraavalla kerralla valo saa sen sulamaan ilman, että ainetta kuumennettaisiin ulkopuolelta.

Materiaalin ehdollistuminen perustuu siihen, että kultaiset nanopartikkelit muodostavat ketjuja, kun niihin kohdistetaan sekä lämpöä että valoa. Nämä nanopartikkeliketjut imevät valoa tietyllä taajuudella. Kun valoa kohdistetaan uudelleen geeliin, järjestäytyneet nanopartikkelit kuumentavat itse geeliä sisältäpäin ja muodostavat optisen muistin. Mekanismia voidaan kuvata samalla loogisella diagrammilla kuin Pavlovin koirakoetta.

Elektronisia järjestelmiä on saatu aikaisemmin käyttäytymään Pavlovin koiran tavoin, mutta tämä on ensimmäinen kerta, kun pehmeä materiaali on saatu ehdollistumaan. Uskomme, että eri tavoin ’oppivia’ materiaaleja nähdään tulevaisuudessa erilaisissa uusissa sovelluksissa, ehkäpä uutena keinotekoisen älykkyyden muotona.”

  • Hang Zhang, Aalto-yliopiston tutkijatohtori
     

Räätälöimme rintasyöpähoitoja nanoteknologian avulla

”Rintasyöpä on yleisin syöpätyyppi ja yksi merkittävimmistä naisten syöpäkuolemien aiheuttajista. Suomessa rintasyöpätapaukset muodostavat 30 % kaikista uusista syöpätapauksista, mikä tarkoittaa yli 5 000 uutta rintasyöpätapausta vuodessa. Vaikka syöpätutkimus on edistynyt vauhdilla, nykyinen ’yksi hoitomalli sopii kaikille’ -ajattelu tuottaa rintasyövän hoidossa vaatimattomia tuloksia.

Helsingin yliopiston syöpäbiologian professori Juha Klefström tutkimusryhmineen alkoi yhdessä Olli Ikkalan ryhmän kanssa kehittää yksilöllistä rintasyöpähoitoa. Tavoitteena oli kehittää materiaaleja, jotka jäljittelevät rintasyöpäkudoksen soluympäristöä. Nämä materiaalit säilyttävät potilaalta leikkauksessa poistetut kasvainkudokset elävinä ja muuttumattomina jopa viikkoja laboratorio-olosuhteissa.

Menetelmää on kehitetty yli 2 000 potilaan näytteellä, ja se on merkittävä läpimurto syöpäbiologiassa ja rintasyövän hoidossa. Olemme saaneet kaksi kertaa Business Finlandin rahoituksen tutkimuksen kaupallistamista ja hoitojen kehittämistä varten.

Kehittämämme biologinen materiaali on edullinen, ja sen mekaanisia ja toiminnallisia ominaisuuksia voidaan säätää. Tämän ainutlaatuisen geelin avulla voimme pitää potilaan syöpäkudoksen muuttumattomana, ja mallintamisen avulla löytää hänelle optimaalisen yksilöllisen hoidon.”

  • Nonappa, Tampereen yliopiston professori ja Aalto-yliopiston dosentti
     

Kehitämme lääkkeitä, jotka kulkeutuvat juuri oikeaan kohtaan kehossa

”Edistykselliset lääkkeet, kuten mRNA ja terapeuttiset proteiinit, ovat tulleet yleisesti tunnetuiksi nyt, kun monet koronarokotteet perustuvat mRNA- eli lähettitekniikkaan. Tutkin itse silmäsairauksien hoitamista menetelmällä, jossa polymeerit kuljettavat lääkeaineen kohdennetusti silmään. Hanke on osa GeneCellNano-lippulaivahanketta.

Esimerkiksi rokotteista ei pystytä täsmällisesti määrittämään, mihin kohtaan kehossa kemikaali päätyy, mutta immuunijärjestelmä reagoi lääkkeeseen joka tapauksessa. Kohdennetuissa hoidoissa tilanne on toinen. Jos hoidetaan esimerkiksi silmäsairautta, ei kehoon pistettävä lääke saisi päätyä vaikkapa jalkaterään. Siksi kehitämme materiaaleja, jotka voivat kuljettaa lääkettä turvallisesti oikeaan kohtaan, ja vapauttaa sen siellä, missä tarvitaan.

Kun kemistinä aloitan työskentelyn lääketieteellisen tutkimuksen parissa, saan ensiksi pitkän luettelon materiaaliin kohdistuvista vaatimuksista. Toisinaan tuo lista tuntuu ylivoimaiselta. Onkin mahtavaa työskennellä Olli Ikkalan laboratoriossa, koska hänellä on aina luovia ratkaisuideoita ongelmiin. Hän on yksi kekseliäimmistä ihmisistä, joita olen tavannut. Voimme käydä vaikka kymmenen minuutin kävelyllä, ja sen seurauksena on kolme uutta ideaa kokeiltavaksi.”

  • Sebastian Löscher, Aalto -yliopiston tutkijatohtori
     

Teemme perustutkimusta magneettisuudesta, mikä voi hyödyttää pehmeää robotiikkaa

”Biologit ovat tunnistaneet, että jotkut eläimet, kuten linnut ja kilpikonnat, suunnistavat ja liikkuvat valtavan pitkiä matkoja sen perusteella, miten ne havaitsevat maan magneettikentät. Vielä ei kuitenkaan tarkasti tiedetä, miten havainnointi tapahtuu. Halusimme kokeilla, pystymmekö luomaan magneettisia materiaaleja, joiden käyttäytyminen muistuttaisi yksinkertaisia oppimisprosesseja, eli herkistymistä ja tottumista.

Luodaksemme materiaaleja, jotka havaitsevat magneettisia kenttiä, käytämme koeasetelmassa laitetta, jonka sisällä täytämme kahden elektrodin välisen aukon osittain magneettisilla nanohiukkasilla. Normaalitilassa sähkö ei voi virrata aukosta läpi, joten elektrodien välillä ei ole juurikaan johtavuutta. Mutta kun laite altistetaan magneettikentälle, nanohiukkaset muodostavat ketjuja, jotka yhdistävät elektrodien välisen raon ja pystymme mittaamaan sähkönjohtavuuden elektrodien välillä. Tästä johtavuuden lisääntymisestä pystymme päättelemään, että laite on havainnut magneettikentän.

Teemme perustutkimusta, mutta tulevia sovellusmahdollisuuksia voi olla erityisesti pehmeässä robotiikassa. Haluamme, että niin sanottujen pehmeiden eli ihmiskehosta ja luonnosta mallia ottavien robottien materiaalit pystyvät havaitsemaan ympäristöään, esimerkiksi sen magneettisuutta, ja pystyvät myös reagoimaan siihen.”

  • Bo Peng, Aalto-yliopiston akatemiatutkija
Professori Olli Ikkala katsoo kameraan, on pukeutunut vaaleaan pikkutakkiin ja farkkuihin, seisoo vaaleassa aulassa, taustalla portaikko. Kuva: Jaakko Kahilaniemi.
Olli Ikkala on hyvin verkostoitunut. Useat uudet tutkimushankkeet ovat saaneet alkunsa puhelinsoitoista yllättävissä paikoissa. Kuva: Jaakko Kahilaniemi.

Olli Ikkala

  • Aloitti uransa Teknillisen korkeakoulun Kylmälaboratoriosta. Hän teki diplomityön vuonna 1977 ja väitteli tohtoriksi vuonna 1982.
  • On ollutmyös yritysmaailmassa, esimerkiksi Nesteen monisatapäisessä tutkimuskeskuksessa tutkimassa polymeerifysiikkaa ja aurinkoenergian varastointia jo 1980-luvun puolivälissä. Hän törmäsi vahingossa nanoteknologiaan 80-90-lukujen vaihteessa kaupallistettaessa sähköisesti johtavia polymeereja.
  • On saanutkahdesti arvostetun, Euroopan tutkimusneuvoston myöntämän Advanced Grant -rahoituksen, kumpikin arvoltaan 2,5 miljoonaa euroa. Hän on toiminut Suomen Akatemian nimittämänä akatemiaprofessorina kaksi kautta. On myös johtanut viisi vuotta kansallista huippuyksikköä. On julkaissut urallaan 326 vertaisarvioitua tieteellistä artikkelia, joihin on viitattu yhteensä lähes 22 000 kertaa. On ohjannut myös 35 väitöskirjaa. Saanut vastikään arvostetun Humboldt Research Award -palkinnon.
  • On verkostoitunut. Useat uudet tutkimushankkeet ovat saaneet alkunsa puhelinsoitoista yllättävissä paikoissa. Yhteistyötarjouksia on tullut 1990-luvun alusta lähtien liittyen biotekniikkaan, nanoselluloosaan, syöpätutkimukseen ja ohjelmoitaviin materiaaleihin. Viimeisimmän puhelun Ikkala otti vastaan kesämökillään vuonna 2020, kun häntä tavoittelivat professorit Seppo Ylä-Herttuala ja Arto Urtti biologisten lääkeaiheiden lippulaivahankkeesta.
  • On urkuri. Ikkala on soittanut urkuja kouluaikana Sibelius-Akatemian nuoriso-osastolla ja jatkoi akatemian urkukurssien suorittamista yksityisesti. Urkujen soittaminen jäi, kun tieteellinen ura vei mukanaan eikä ollut aikaa lähteä kirkkoihin harjoittelemaan. Mutta uusi tekniikka on tullut avuksi: se mahdollistaa autenttisen soittotuntuman ja äänen. Ikkalalla on kotonaan virtuaaliurut, jotka toistavat samaa ääntä kuin vuonna 1772 valmistetut urut Saint-Maximin-la-Sainte-Baume-kirkossa Provencessa.

Lue lisää räätälöidyistä rintasyöpähoidoista:

Breast cancer tissue in a culture model in which hormone receptors disappear (left) and within the culture model developed in this study which maintains the hormone receptors (right). The hormone receptors are indicated in green. Photo: Pauliina Munne.

Suomalaistutkijat kehittivät minirintasyövästä uuden aseen taistelussa yleisintä rintasyöpää vastaan

Helsingin yliopiston rintasyöpätutkijat ja Aalto-yliopiston materiaalitutkijat ovat yhdessä kehittäneet geelissä kasvavan ”minirintasyövän”, jonka avulla voidaan löytää entistä tehokkaampia hoitoja hormoneista riippuvaisiin rintasyöpiin.

Uutiset

Teksti: Matthew Allinson ja Tiina Aulanko-Jokirinne
Kuvat: Jaakko Kahilaniemi

Artikkeli on julkaistu Aalto University Magazinen numerossa 29, lokakuussa 2021.

 

  • Julkaistu:
  • Päivitetty:
Jaa
URL kopioitu

Lue lisää uutisia

Autonominen A!ex-auto kuvattuna valoisassa autohallissa ympärillään viisi tutkijaa kesäisissä vaatteissa ja kasvoillaan maskit. Valkoisen auton katolla on tekninen laite ja auton tavaratilan kansi on ylhäällä.
Aalto Magazine Julkaistu:

Itseohjautuva auto A!ex yllyttää tutkijoita yhteistyöhön

Valkoinen auto näyttää tavalliselta katumaasturilta. Tarkemmin katsottuna sen katolta havaitsee laserkeilaimen. Ohjaamosta ei löydy edes vaihdekeppiä, sillä A!exin vaihteet vaihtuvat algoritmien avulla.
Laura Sivula valokuvattuna ulkona, kaupunkimaisemassa, taustalla näkyy kerrostaloja, kuvan oikeassa yläkulmassa on männyn oksa, Sivula on pukeutunut mekkoon, jonka helma hulmuaa, hänellä on jalassa valkoiset tennarit.
Aalto Magazine Julkaistu:

Arjen valintoja: Olet elämänlaajuisen oppimisen puolestapuhuja, Laura Sivula, minkä taidon itse opettelit viimeksi?

Aalto-yliopiston kesäkoulun ohjelmajohtaja ja elämänlaajuisen oppimisen asiantuntija kertoo, että kukaan ei ole koskaan täysin valmis.
Yhteiskuvassa Juudit Ottelin ja Matti Kuittinen seisovat vierekkäin ja katsovat kohti kameraa. Ottelinin kädessä on pieni musta 3d-tulostettu pääkallo, Kuittinen pitelee käsissään työmaakypärää, jossa on kuulosuojaimet.
Aalto Magazine Julkaistu:

Eristeet farkuista, seinät jätebetonista - rakentamiseen tarvitaan vähemmän synnintuntoa ja enemmän ratkaisuja

Isoin ympäristöteko olisi jättää kokonaan rakentamatta. Mutta myös kiertotaloudella voidaan hillitä rakentamisen ilmastokuormaa, sanovat tutkijatohtori Juudit Ottelin sekä arkkitehti, ympäristöministeriön erityisasiantuntija Matti Kuittinen.
Henkilökuvassa Riikka Mäkikoskela katsoo kameraan, kädet ovat kohotettuina kämmenet ylöspäin, hänellä on yllään keltainen pellavapaita.
Aalto Magazine Julkaistu:

Oho: Rakennusjätteet saivat kyytiä kiertotalouden työpajassa, jossa heivattiin myös omat ennakkoluulot

Head of Radical Creativity Riikka Mäkikoskela kertoo, miten päätyi jalkapallotreeneistä työpajaan, jossa kukoisti radikaali luovuus.