3D-printed biomimetic microstructures for the control of marine biofouling

Research Project, 2017 – 2019

Marin påväxt är ett globalt problem, inte bara för sjöfart utan även för akvakultur, anläggningar för förnyelsebar energi (våg, vind och tidvatten), avsaltningsanläggningar, kylvattenintag och mätinstrument. Kostnaden enbart för sjöfart beräknas till miljarder kronor årligen för skydd mot påväxt (antifouling). Idag används huvudsakligen miljöskadliga färger baserade på tungmetaller som koppar och zink tillsammans med organiska bekämpningsmedel. För vissa tillämpningar, t.ex. avsaltning för produktion av dricksvatten och inom vattenbruk kan giftiga antifoulingmetoder inte användas p.g.a. hälsorisker. Det finns därför ett stort behov av att utveckla ny teknik för antifouling som bygger på hållbara lösningar som är miljömässigt acceptabla och med liten hälsorisk.

För levande organismer i havet är det oftast fördelaktigt att leva nära eller fastsittande på ytor. I havet förs en ständig kamp om att hitta en lämplig yta att leva på, vilket också kan vara ytan på en annan organism. Under årmiljoner har olika naturliga skyddsmekanismer utvecklats genom evolutionära anpassningar (både fysiska och kemiska). Ofta har dessa organismer en skyddande yta bestående av mikroskopiska strukturer, t.ex. taggar, hår, åsar, fjäll och håligheter, ofta uppbyggda i komplexa mönster. Möjligen har mikrostrukturen samma repellerande effekt på larvstadiet hos påväxtorganismer som taggarna på en igelkott har mot ett rovdjur.

I det här projektet har vi för avsikt att ”härma” och återskapa mikrostrukturer hos påväxtfria djur och växter i havet genom bio-inspirerad design (biomimetik) och sedan studera hur effektiva sådana konstruerade ytor är mot påväxt samt att förstå varför vissa typer av mikrostrukturer har påväxthämmande effekt. Målet är att skapa en påväxtskyddad yta utan hjälp av tungmetaller eller bekämpningsmedel.

Vi kommer att använda moderna metoder som datortomografi (µ-CT), atomkraftsmikroskop (AFM) och svepelektronmikroskop (SEM) för att analysera och avbilda mikrostrukturen på påväxtfria organismer. Egenskaper som struktur, geometri, tätpackning och mekaniska egenskaper kommer att dokumenteras. Samtidigt som kartläggningen av ytstrukturerna görs kommer vi göra en kemisk avbildande analys av ytan med hjälp av masspektrometri (ToF-SIMS). Den digitalt inlästa strukturen hos naturliga ytor kan bearbetas i dator, och efter analys kommer vi ”printa” ut de här strukturerna som fysiska modellytor med hjälp av en 3D-Printer i material som matchar egenskaperna hos de naturligt förekommande mikrostrukturerna. Genom 3D printing kan vi återskapa komplexa tredimensionella saker och strukturer i en skala under en mikrometer, någonting som inte varit möjligt med tidigare mikrofabrikationsmetoder. De bio-inspirerade ytor som framställs testas sedan tillsammans med levande påväxtorganismer i laboratorium och i fält för att studera vilka mikrostrukturer som förhindrar påväxt. Vi är även intresserade av att veta varför vissa strukturer inte blir påväxta, t.ex. genom att studera beteendet av larver som söker efter lämplig yta att sätta sig fast på. Vi kommer dessutom att testa stabilitet och hydrodynamiska egenskaper av mikrostrukturerna för att optimera en påtänkt användning i marin miljö.

Målet med projektet är att få ökad kunskap om hur och varför ytstrukturer påverkar marin påväxt. Med den kunskapen är förhoppningen att kunna skala upp produktion eller bearbetning av relevanta ytor som hämmar påväxt och som kan minska användningen av miljöskadliga gifter i framtiden.