11.01 CerInk – Mit Nanotinte zu stabileren Implantaten

2016-2017

Im Argovia-Projekt CerInk untersucht ein Wissenschaftlerteam von der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW), dem Paul Scherrer Institut (PSI) sowie der Aargauer Firma Medicoat AG (Mägenwil) eine neue Methode, um biokeramische Knochenersatzmaterialien mechanisch stabiler zu machen. Projektleiter Philippe Chavanne und das Wissenschaftlerteam fügen dazu während eines optimierten 3D-Druckprozesses eine keramische «NanoInk» hinzu, die bei der anschliessenden weiteren Verarbeitung die Dichte des Materials erhöht und damit in bestimmten Bereichen des Implantats zu einer höheren Stabilität führt.

Durch Unfälle, Entzündungen oder Tumorerkrankungen kommt es immer wieder zu Knochenschädigungen, die den Einsatz von Knochenersatzmaterialien erforderlich machen. In zahlreichen Fällen versprechen individuell angepasste Knochenimplantate, die dem natürlichen Knochen sehr ähnlich sind, für Patienten gute Heilungschancen. Biokeramische Implantate, die mittels 3D-Druck individuell hergestellt werden können, scheinen in dieser Hinsicht sehr vielversprechend zu sein. Sie besitzen eine hohe Biokompatibilität und werden vom Körper gut integriert. Jedoch bereitet bisher die mangelnde mechanische Stabilität dieser Materialien oft Probleme.

Das Wissenschaftlerteam von FHNW, PSI und Medicoat hat bereits wertvolle Erfahrungen auf diesem Gebiet gesammelt. Sie kombinieren im 3D-Druckverfahren biokeramische Materialien mit Polymeren, um natürliche Knochen nachzuahmen. Im dem aktuellen Argovia-Projekt fügen sie beim Druckprozess keramische Nanopartikel (Nanoink) hinzu. Diese Nanoink bewirkt bei einem nachgeschalteten Sinterprozess eine Verdichtung der Struktur und damit eine verbesserte mechanische Stabilität.

Die Forscher sind in der Lage, die Nanoink je nach gewünschter Struktur des Implantats in unterschiedlichen Mengen zu dosieren. Sie können so innerhalb eines Implantats Bereiche mit unterschiedlichen Dichten aufbauen. Sie erwarten mit dieser Methode dem natürlichen Knochen sehr nahe zu kommen und die Probleme der mangelnden mechanischen Belastbarkeit zu überwinden.

11.04 HPD4FED – Neues Mikroskop trägt zur Strukturaufklärung bei

2016-2017

Die Wissenschaftler im Argovia-Projekt HPD4FED planen ein innovatives Elektronenmikroskop mit Kamera zu bauen, das mit Hilfe eines neuen Detektors in der Lage sein wird, die Elektronenbeugung kleinster Mengen natürlicher Moleküle zu messen. Die beiden Projektleiter Professor Jan Pieter Abrahams vom PSI und dem C-CINA der Universität Basel und Dr. Tim Grüne vom PSI arbeiten dazu mit weiteren Kollegen des PSI und der Universität Basel sowie mit der Firma DECTRIS (Baden-Dättwil) zusammen.

Zur Analyse von Proteinen und anderen grossen Molekülen in ihrer natürlichen Umgebung sind ganz besondere Methoden erforderlich, welche die empfindlichen Biomoleküle nicht zerstören und die dreidimensionale Anordnung der Moleküle möglichst wenig beeinflussen. Das Team um Jan Pieter Abrahams nutzt für derartige Studien hochenergetische Elektronenstrahlungen, die je nach Anordnung der Atome in spezifischer Weise gebeugt werden und damit Rückschlüsse auf die Struktur der Probe erlauben.

In dem Argovia-Projekt HPD4FED modifizieren die beteiligten Wissenschaftlerteams einen vom PSI entwickelten und von der Firma DECTRIS kommerzialisierten Detektor. Da dieser Detektor aus zwei Teilen besteht, der Ausleseelektronik und der Sensoreinheit, kann bei dem DECTRIS-Detektor die Sensoreinheit spezifisch für die Detektion von Elektronen optimiert werden. Der optimierte Detektor wird dann in ein Elektronenmikroskop eingebaut und anhand verschiedener Nanoproben getestet. Die beteiligten Forscher vom C-CINA der Universität Basel, dem PSI und der Firma DECTRIS hoffen durch den Einsatz anderer Sensoren dreidimensionale Strukturen der Proben in atomarer und molekularer Auflösung berechnen zu können, auch wenn nur kleinste Probenmengen analysiert werden.

11.05 – Nanopartikuläre Sensoren – Schnelle Auswahl der besten Produzenten

2016-2017

Ein weiteres Argovia-Projekt wurde von Professor Georg Lipps (FHNW) initiiert, um die Entwicklung von Zelllinien, die zur Produktion von Antikörpern eingesetzt werden, zu verbessern. Zusammen mit seinen Projektpartnern Dr. Martin Held (D-BSSE, ETH Basel) und Dr. Rene Pelaux (FGen GmbH, Basel) möchte Georg Lipps nanopartikuläre Sensoren entwickeln, um Zelllinien bezüglich ihrer Produktivität in Hochdurchsatzscreenings zu charakterisieren und die besten Produzenten auswählen zu können.

Heutzutage kommen zahlreiche Antikörper bei der Behandlung von Krankheiten zum Einsatz. Die therapeutischen Antikörper binden beispielsweise spezifisch an Entzündungsfaktoren (wichtig für die Behandlung von Autoimmunkrankheiten) oder an zelluläre Rezeptoren (Behandlung von Krebs). Produziert werden diese Antikörper in recht aufwendigen Verfahren von Säugetierzellen. Ein wichtiges Ziel der Forschung ist es immer wieder, möglichst produktive Zelllinien auszuwählen und diese zu optimieren. Das Projektteam untersucht nun eine effektive Hochdurchsatzmethode, um diese Auswahl mit winzigen Probemengen in kurzer Zeit treffen zu können.

Dazu entwickeln die Forschenden partikuläre Sensormaterialien, die in Nanoliterreaktoren (NLR) immobilisiert werden. Produziert die getestete Zellline in dem winzigen Reaktor den gewünschten Antikörper, binden die Sensoren die Antikörper. Durch die Bindung kommt es zu einer Strukturänderung des Sensors und damit zur Aussendung eines Fluoreszenzsignals. Die Fluoreszenzintensität ist dabei proportional zur Menge des produzierten Antikörpers. Ein grosser Vorteil der untersuchten Methode ist, dass keine weiteren Reagenzien zugegeben werden müssen, Aufarbeitungsschritte entfallen und das Fluoreszenzsignal in situ Rückschlüsse über die Menge des produzierten Antikörpers liefert. Auf diese Weise können die Wissenschaftler in kurzer Zeit die besten Produzenten auswählen und diese weiter optimieren.

11.10 NanoSilkTex – Positive Eigenschaften kombinieren

Der Kokon der Seidenraupe besteht aus einem einzigen, bis zu 900 Meter langem Seidenfaden.

2016-2017

Im Argovia-Projekt NanoSilkTex arbeiten die Professoren Oliver Germershaus und Uwe Pieles (beide Hochschule für Life Sciences – FHNW) mit Dr. Monica Schönenberger (Nano Imaging Lab, SNI) und Dr. Murray Height (HeiQ Materials, Bad Zurzach) zusammen, um die positiven Eigenschaften von Seide mit denen synthetischer Textilien zu kombinieren.

Bereits seit mehreren tausend Jahren nutzen Menschen die Seidenfäden der Seidenraupe (Bombyx mori), um daraus Stoffe herzustellen. Dabei sind es unter anderem der edle Glanz, die enorme Festigkeit, die hervorragende Isolierung gegenüber Kälte und Wärme und die gute Aufnahmefähigkeit von Wasser die Seide so populär gemacht haben. Die Seidenproduktion ist allerdings recht aufwendig und teuer. Zudem fehlt der Seide die funktionelle Vielseitigkeit, die moderne synthetische Gewebe heutzutage aufweisen. Die SNI-Forscher des Argovia-Projekts NanoSilkTex planen daher, synthetische Fasern mit Seidenproteinen zu veredeln. Sie extrahieren dazu den Hauptbestandteil der Seidenkokons (Seidenfibroin), stellen eine Eiweisslösung daraus her und beschichten damit synthetische Fasern.

Bisherige Ergebnisse belegen, dass die Zugabe eines „Klebers“ notwendig ist, um das Fibroin dauerhaft an die synthetischen Fasern zu binden. Bei einer bestimmten Schichtdicke verleiht das aufgebrachte Fibroin dem synthetischen Material einige der positiven Eigenschaften der Seide wie erhöhte Wasseraufnahmefähigkeit, Undurchlässigkeit von UV-Strahlen und verbesserte Haptik. Nun wird das Verfahren hinsichtlich der Nanostruktur der Beschichtung weiter optimiert und es werden neuartige Ansätze zur Funktionalisierung des Überzugs untersucht.

Das Forscherteam im NanoSilkTex-Projekt setzt sich aus Experten verschiedener Gebiete zusammen. So steuern die Fachleute von HeiQ Materials ihre Expertise in der Veredelung von Textilien bei. Das Labor von Oliver Germershaus verfügt über das notwendige Knowhow für die Herstellung und Charakterisierung des Seidenfibroins. Uwe Pieles und sein Team sind Experten im Bereich der Materialuntersuchung und Monica Schönenberger liefert Analysen der Oberfläche auf der Nanometerskala.

11.12. NF-Optics – Vakuumfreie Methode zur Herstellung optischer Schichten

2016-2017

Im Argovia-Projekt NF-Optics arbeiten Wissenschaftler daran, eine bisher nicht verwendete Methode, die ohne Vakuum auskommt, für die Herstellung von optischen Schichten einzusetzen. Zum Forschungsteam gehören neben dem Projektleiter Dr. Martin Stalder mit dem Team von Dr. R. Ferrini (CSEM SA) auch die Gruppen von Professor Uwe Pieles (FHNW) und Dr. Andreas Hafner (BASF Schweiz AG, Basel).

Elektronenmikroskopische Aufnahme einer Nanofaser-Schicht mit einem mittleren Faserdurchmesser von 100 nm.

In optischen Geräten sorgen dünne Schichten für verschiedene optische Effekte. Sie wirken beispielsweise als Interferenzfilter, Antireflektionsschicht oder bewirken die Teilung eines Lichtstrahls. Die Herstellung dieser nur wenige Nanometer dicken Schichten erfolgt meist in Reinräumen mit Vakuumanlagen und ist daher sehr aufwendig. Eine Methode, mit der unter normalen Druckverhältnissen gearbeitet werden kann, würde Produktionskosten senken, Energie einsparen sowie die Wahl der Materialien erweitern.

Das Team des Argovia-Projekts NF-Optics untersucht nun, ob sich Elektrospinning zur Herstellung von präzise orientierten Nanofasern eignet, welche auf Glas oder dünne Folien aufgebracht werden können und sich dann als optische Schichten einsetzen lassen. Die hergestellten Schichten werden mit herkömmlichen optischen Komponenten verglichen, um deren Qualität festzustellen. Bekannt ist die Methode des Elektrospinnings vor allem für die Herstellung nicht gewebter Textilien, die beispielsweise in Filtern oder zur Wundversorgung eingesetzt werden.

Wie die Abbildung zeigt, ist es den Wissenschaftlern bereits gelungen, Nano-Faser-Schichten mit einem hohen Orientierungsgrad herzustellen, wie es für geplante optische Komponenten gewünscht ist.