Doser for deg

Enkelte ting vil vi gjerne nyte godt av i gjentatte små porsjoner i stedet for i ett eneste stort jafs.

P-plasteret må vare hele uka og ikke bare en dag. Og hadde håret duftet deilig av sjampo et par dager lenger, hadde det vært en fordel.

Kontrollert frigjøring av stoffer er et internasjonalt fagområde av stor interesse for både farmasøytisk industri, malingsindustri, innenfor landbruket og i parfymeindustrien. Felles for alle områdene er at man ønsker at stoffene – enten det dreier seg om gjødsel eller fiskevaksine – skal bli sluppet ut i riktige konsentrasjoner, gjerne over lengre tid. Og den
siste dosen skal være nøyaktig like stor som den første.

– Det siste er en stor utfordring for oss forskere, sier Ruth Baumberger Schmid ved SINTEF. – Medisin i dagens tablettform har for eksempel ulempen at du får hele dosen på en gang. Og så avtar virkningen rimelig fort.

Samtidig kan det være skadelig å ta større doser. Bare tenk på hodepinetabletter. Hvor engstelig er vi ikke for å ta for mye, og hvor mye ergrer det oss når effekten går fort ut av kroppen og hodeverken begynner å krype inn igjen? Vi må altså få den optimale effekten til å vedvare samtidig som doseringen holdes innenfor et forsvarlig område uten skadelige topper.

Illustrasjon: Jan H. Johansen, SINTEF Media og Even Gran, NTNU Info (web).

Alltid velduftende
Lukt er et kraftig middel til å påvirke i positiv eller negativ retning. På de store spillekasinoene i USA pumper gjerne ventilasjonsanlegget ut behagelig duft av babypudder. Dette påvirker spillerne til å bruke mer av pengene sine. Firma som produserer balsam, hudpleieprodukter og vaskemidler, er svært interesserte i en kontrollert frigjøring av duftstoffene. De ønsker at den gode lukten skal vare lenger enn bare de første timene.

Forestill deg en vanlig morgen. Du har fått på undertøy og bukser, og roter i skapet etter en genser. Der ligger den hvite. Slett ikke skitten, men heller ikke like fresh som da den kom varm og velduftende ut fra tørketrommelen for et par dager siden. Du løfter genseren ut, holder den mellom pekefinger og tommel og foretar to raske rist så det smeller i lufta. En svak men deilig parfymeduft brer seg idet du trekker klesplagget over hodet.

Hva skjedde? Duftstoffer er jo flyktige. Så hvordan kan de framkalles på nytt i en genser?

– Igjen handler det om å frigjøre stoffer på en kontrollert måte, forklarer Schmid. – Vi kan for eksempel kapsle duften inn i små gel/partikler festet på tøyet, og lage «skallet» på partiklene av et sprøtt stoff slik at bevegelse og risting knuser skallet og duften slipper løs. Vi kan også bruke andre egenskaper av gelen for å frigjøre duften. Kanskje du stryker tøyet og at varmen utløser duften?

Noen observante lesere vil lure på hvorfor ikke partiklene forsvinner i vannet under vasken i maskinen? For det er jo gjennom vaskemiddelet de kommer inn i bildet? Svaret er at noen molekyler på overflaten av partiklene liker seg bedre sammen med fibrene i tøyet enn med vannmolekylene, slik at partiklene fester seg på tøyet.

Frastøtende dufter
For bønder og plantevernforskere er det også essensielt å bevare duftstoffer. Men her er det snakk om frastøtende, vonde dufter. Skadeinsekter ødelegger produkter for millioner samtidig som man vet at de tiltrekkes eller frastøtes av dufter. Granbarkbillen kan for eksempel under bestemte forhold angripe og drepe helt friske grantrær. I løpet av 1970-årene og begynnelsen av 1980-årene drepte den et antall trær som tilsvarer nærmere 5 millioner kubikkmeter tømmer i Norge. Feller med duftstoffer/feromoner brukes derfor som lokkemiddel i en rekke land. En felle plassert på en fersk hogstflate kan gjøre en utrolig fangst av biller.

Duftene kapsles inn for å bli beskyttet mot ytre påvirkninger – blant annet må stoffene ikke vaskes bort i første regnskyll, men frigis over tid.

Oppfinner og bonde Svein Lilleengen på Ørlandet utenfor Trondheim har tørket og presset husdyrgjødsel i såkalte bioskiver. Disse fungerer som gjødsel og som sperre for ugras rundt kålplantene, men oppfinneren vil gjerne også bake inn stoffer som kan få kålflua til å holde seg langt unna. I samarbeid med forskere ved NTNU og SINTEF har han funnet fram til dufter som fungerer godt. Nå er utfordringen å få duften i skivene til å slippe ut jevnlig. Duft varer vanligvis et par timer, men her trenges det duftstoffer i løpet av de åtte ukene på sommeren flua herjer som verst.

Kjemiens verden
Kjemikerne kan nemlig skreddersy hvordan de ønsker stoffene skal slippe ut.

For å forstå dette, må vi bevege oss inn i kjemiens verden med molekyler og polymerer. Forskerne hekter molekyler sammen til lange kjeder av enheter – polymerer. Disse kjedene kan danne nettverk som kalles matriser. Stoffene som skal slippes ut, plasseres inne i polymermatrisen. Avhengig av hvilke polymerer kjemikerne bruker, og hvordan de er satt sammen kjemisk, kan forskerne styre om innholdet kommer ut raskt eller sakte.

– Vi lager gjerne et ytre lag (coating) rundt matrisene som hindrer at stoffene inni siver ut før vi ønsker at det skal skje, forklarer kjemiker Heidi Johnsen. – Vi kan lage et ytre lag som brytes ned som respons på en påvirkning, for eksempel endring i temperatur eller pH. Når det ytre laget er brutt ned, kan innholdet lekke ut gradvis ved at det siver ut gjennom matrisen.

En slik diffusjon vil gi mest utlekking i begynnelsen og stadig mindre over tid. Men matrisen kan også lages slik at den er nedbrytbar. Da vil erosjon tære matrisen utenfra og innover slik at stoffet blir levert i små doser til alt er brukt opp. Det siste prinsippet utnyttes for eksempel for medikamenter hvor man ønsker konstant utlekking.

Bonde og oppfinner Svein Lilleengen ønsker å bake inn stoffer i gjødselskivene sine som kan holde kålflua unna kålplantene. Foto: Privat

Miljø
SINTEF-forskerne jobber med polymerer som finnes i hundrevis av ulike typer. Polymerene kan ha en innviklet struktur og kan i stor grad skreddersys. Andre forskningsmiljø konsentrerer seg om sukkermolekyler. Disse kan ha en enklere struktur, danner ofte ringer og kan innkapsle ting i volumet i midten.

Etter at stoffer er blitt kapslet inn i polymermatriser, betyr det mye hvilket fysisk miljø polymerene plasseres i. Hvis kapslene er laget av polymerer som ikke liker vann, vil polymerkjedene rulle seg sammen og beskytte molekylene sine mot vannet. En lang tråd rullet sammen som et nøste, danner hulrom der væske, gass eller andre stoffer kan holde seg, og vil slippe ut stoffet over tid. Hvis kapslene derimot er laget av en polymer som liker vann, vil molekylene strekke seg utover i vannet og stoffet inne i matrisen vil slippe ut raskt. Disse egenskapene kan forskerne utnytte.

Når innkapslingen brytes ned, begynner stoffet å lekke ut. Også her kan kjemikerne bestemme farten på slippet blant annet gjennom hvor store molekylene er, hva de er laget av og hvor langt det er for molekylene å komme ut.

– Vi kan lage polymermatrisene porøse med hulrom inni – enten ved å lage et hull i midten eller ved å lage mange små hulrom gjennom hele matrisen, sier Heidi. – Når nedbrytingen starter, vil partikkelen bli stadig mindre, og stoffene slippes ut etter hvert som man kommer til hulrom a eller b.

I tarm – ikke i mage
En annen aktuell problemstilling er hvordan man skal få et medikament styrt til en ønsket del av kroppen. Hvordan unngå at medisinen løses opp i magen, men fortsetter ut i tarmen der den skal gi virkning?

– Vi kan lage coatingen slik at den blir brutt når miljøet rundt kapselen er «det riktige».

Ønsker vi for eksempel at en medisin ikke skal tas opp i mage, men i tarm, må vi lage en innkapsling som tåler magens sure miljø, men ødelegges i tarmens basiske miljø, sier Schmid. Andre «triggere» vi kan utnytte, er temperatur og salt.

Forskerne kan også styre medisin og stoffer via blodbanene. Ofte går medisinen direkte til leveren som er «vår støvsuger», men det kan være at legene ønsker stoffet levert direkte til en kreftsvulst for å påvirke cellene her.

– Dette er en svært nøyaktig levering der vi må benytte oss av antistoffer og antigener, sier Heidi Johnsen. – En celle har reseptorer eller antigener på overflaten, og for å få partiklene med stoffet til denne cellen, må vi plassere antistoff på partiklene slik at de hekter seg på de riktige cellene.

Partiklene venter med å henge seg på til de finner de riktige typer celler. (Se figuren øverst til venstre.) I denne sammenhengen er det også viktig at partiklene ikke blir fjernet fra blodbanene av makrofagene – «ryddecellene» våre – før partiklene har funnet de riktige cellene. Det betyr at partiklene må ha riktig størrelse og overflate som gjør at de ikke blir gjenkjent som noe fremmed for kroppen.

Skipsmaling og nylontepper
Selv om farmasøytisk industri dominerer som pådriver for å finne løsninger rundt kontrollert utslipp av stoffer, finnes det også andre og vidt forskjellige interessegrupper.

Du har kanskje vært i en butikk med nylonteppe på gulvet? Subbet litt rundt for så plutselig å plukke på et metallisk produkt og fått støt i kroppen?

– Dette bør ikke skje på arbeidsplasser der de lager mikroelektroniske komponenter, sier Keith Redford på SINTEF. – Da trenges det et aktivt stoff på epoksy- eller vinylbelegget som hindrer den elektriske oppladningen på plast.

Det aktive stoffet, additivet, kan bakes inn i plasten som gulvbelegget og nylonteppet består av, og så lekke ut over tid. Siden dette skal fungere over mange år og ikke bare noen uker, trenges det en kontrollert utlekking.

Additiver er såpelignende molekyler som liker seg både i plast og i vann. Over tid vil de vandre opp gjennom plasten til overflaten og støtes ut. Her trekker de til seg vann fra lufta, dette leder vekk elektronene – og vips: Besøkende unngår støt!

Redford arbeider også med kontrollert frigjøring av algegiftstoffer fra bunnstoff-maling på store skip:

– Denne malingstypen er vesentlig for å unngå begroing på skipsskrog. Skjell og alger bremser opp og fordobler forbruket av drivstoff under skipsfarten. Det er svært uheldig at giftstoffene i malingen blir frigjort i et jafs når skrogsiden møter sjøvannet. Derimot hadde det vært ønskelig å styre frigjøringen slik at malingslaget eroderte litt etter litt og samtidig fungerte like bra på dag én som den siste dagen, sier Redford.

Og oppsummerer slik selve clouet bak det store fagområdet: Enten det dreier seg om gjødsel, parfyme eller medisiner, handler det om riktige konsentrasjoner. Den siste slurk må faktisk være nøyaktig like bra som det første nipp.

Tekst: Åse Dragland

Kontakt: Ruth B. Schmid, SINTEF Materialer og kjemi
Tlf: 73 59 28 15, e-post: ruth.b.schmid@sintef.no