Räätälöity hiilipinta nopeuttaa perinnöllisten sairauksien puhkeamisriskien löytämistä – kehitystyö sai vauhtia koneoppimisesta

Hiilen muodostamia paikallisia atomirakenteita on lukuisa määrä, mutta ne voidaan jaotella muutamiin ryhmiin, joilla on tyypilliset atomi- ja elektroniset ominaisuudet.

Räätälöidyillä hiilipinnoilla on paljon käyttökohteita muun muassa lääketieteessä ja vedenpuhdistuksessa. Erilaisten sovellusten kehittäminen edellyttää hiilipintojen rakenteiden ja käyttäytymisen tarkkaa tuntemista. Sen saavuttamiseksi Aalto-yliopiston tutkijat ovat kehittäneet tutkijatohtori Miguel Caron johdolla uutta laskennallista menetelmää yhdessä Cambridgen yliopiston yhteistyökumppaneiden professori Gabor Csanyin ja Volker Deringerin kanssa.

Timantinkaltainen hiili on yksi hiilen muodoista, ja sitä on käytetty vuosikymmenen ajan teollisuudessa sen ainutlaatuisten mekaanisten, kemiallisten ja fysikaalisten ominaisuuksien vuoksi. Viime vuosina tutkijat ovat kiinnostuneet sen käytöstä myös biologisissa antureissa.

Timantinkaltaisessa hiilessä jokaisen atomin ympäristö on hieman erilainen, eli atomien lähinaapurien lukumäärä, niiden etäisyydet ja sidosten väliset kulmat vaihtelevat. Uuden laskennallisen menetelmän avulla tutkijat pystyivät ensimmäistä kertaa tunnistamaan erilaisia paikallisia ympäristöjä ja luokittelemaan ne niiden ominaisuuksien perusteella. Lisäksi tutkijat havaitsivat, että eri molekyyliryhmät eli vety-, typpi- ja happiryhmät kiinnittyvät hiilifilmin pintaan hyvin erilaisilla voimakkuuksilla. Koska menetelmä oppii pintojen rakennetta ja kemiaa jatkuvasti, se pystyy myös ennustamaan vielä tuntemattomien pintojen ominaisuuksia aiempien tulosten perusteella.

”Voimme nyt ensimmäistä kertaa laskennallisesti tutkia, millaisia pintoja meillä on atomitasolla ja miten ne vuorovaikuttavat esimerkiksi vedyn, typen ja hapen kanssa sekä millaisia ryhmiä pinnoille tämän johdosta syntyy.  Saamme myös tietoa siitä, millaisia pintoja meillä pitäisi olla, jotta pintojen räätälöinti eri sovelluksiin onnistuisi parhaiten”, kertoo professori Tomi Laurila.

Tulevaisuudessa hiilipintoja voidaan hyödyntää esimerkiksi eri käyttötarkoituksiin optimoitavissa, bioyhteensopivissa nanomittakaavan anturisovelluksissa.

Koska hiilikalvot ovat vain tuhannes- tai kymmenestuhannesosia hiuksen paksuudesta, niitä on mahdollista integroida myös nykyisiin terapialaitteisiin antamaan mittausdataa ilman, että laitteen mittasuhteet muuttuisivat. Yksi esimerkki tällaisista laitteista on Parkinsonin taudin hoidossa käytetty syväaivostimulaattori.

Lääketieteellisillä antureilla tutkijat voivat myös seurata yhdessä lääkäreiden kanssa, miten valittujen merkkiaineiden pitoisuudet muuttuvat potilaan elimistössä ja tunnistaa näin perinnöllisten sairauksien puhkeamisriskejä entistä aiemmin. Lisäksi lääkkeitä pystytään annostelemaan yksilöllisesti.

”Esimerkiksi kipulääkkeiden mittaamisessa voimme räätälöidä hiilipinnan siten, että sen vuorovaikutus kipulääkkeen, kuten fentanyylin, kanssa on paras mahdollinen. Näin kipulääkkeen annostelu saadaan juuri oikeaksi”, Laurila sanoo.

Tutkimus julkaistiin juuri Chemistry of Materials -tiedejulkaisussa. 

Lisätietoja:

Miguel Caro
Tutkijatohtori, Aalto-yliopisto
p. 050 407 9988
miguel.caro@aalto.fi

Tomi Laurila
Professori, Aalto-yliopisto
p. 050 341 4375
tomi.laurila@aalto.fi

Dr Volker Deringer
Leverhulme Early Career Fellow, University of Cambridge
p- +44 7494 989967
vld24@cam.ac.uk