Argovia-Projekte 2021

Die folgenden Projekte starteten 2021 neu.

PROJEKT PROJEKT-LEITER MITARBEITER
16.01 – Development of Achromatic X-ray Lenses for Laboratory Transmission X-ray Microscopy (ACHROMATIX) Dr. Joan Vila-Comamala (PSI) Dr. Georg Schulz (Universität Basel (BMC))
Prof. Dr. Bert Müller (Universität Basel (BMC))
Dr. Christian David (PSI)
Dr. Florian Döring (XRnanotech GmbH, Untersiggenthal)
16.04 – Novel detectors for cryo electron microscopy (HPDET-EM) Prof. Dr. Timm Maier (Universität Basel, Biozentrum) Dr. Mohamed Chami (Universität Basel, Biozentrum)
Prof. Dr. Michael Steinmetz (PSI)
Dr. Sacha De Carlo (Dectris Ltd. Baden-Dättwil)
16.05 – Peptide-Hydrogel-Patch for lesion coverage in oral mucosa (Hydrogel-Patch) Dr. Lucy Kind (FHNW Muttenz) Prof. Dr. Oliver Germershaus (FHNW Muttenz)
Prof. Dr. Falko Schlottig (FHNW Muttenz)
Michael Hug (Credentis AG, Windisch)
Prof. Dr. med. dent. Michael Bornstein (Universität Basel, Clinic for Oral Health and Medicine)

16.06 – Laser Nanostrukturieren mit akustischer Prozesskontrolle (LanakPro) Armin Stumpp (FHNW Windisch) Prof. Dr. Matthias Hoebel (FHNW Windisch)
Dr. Frank Dieterle (FHNW Windisch)
Dr. Markus Ehrat (Orvinum AG, Magden)

16.07 – Microstructured and biofunctionalized hydrogel-based periodontal LIGAment RECOnstitution device (LIGARECO) Dr. Joachim Köser (FHNW Muttenz) Dr. Khaled Mukaddam (Universität Basel, Zahnmedizin)
Prof. Dr. Sebastian Kühl (Universität Basel, Zahnmedizin)
Dr. Stefano Tugulu (Novonexile AG, Füllinsdorf)

16.10 – Nanoscale Magnetometer with nano Tesla Resolution (Nanocompass) Prof. Dr. Joris Pascal (FHNW Muttenz) Prof. Dr. Stefan Gorenflo (FHNW Windisch)
Thomas Keusch (Camille Bauer Metrawatt AG, Wohlen)
16.11 – Nanomachining with novel low cost, compact sub-100 fs TiSa laser amplifier (NanoLase) Prof. Dr. Bojan Resnan (FHNW Windisch) Dr. Alexandre Trisorio (PSI)
Stephan von Wolff (TLD Photonics AG, Wettingen)
16.12 – Combinatorial Nanoparticle Design for Efficient Delivery of Therapeutic Enzymes through the Blood Brain Barrier (NANO-thru-BBB) Prof. Dr. Patrick Shahgaldian (FHNW Muttenz) Prof. Dr. Laura Suter-Dick (FHNW Muttenz)
Prof. Dr. Jörg Huwyler (Universität Basel, Pharmazentrum)
Dr.-Ing. Yves Dudal (Perseo Pharma AG, Muttenz)
16.13 – Printed electrochemical protein sensor (PEPS) Dr. Marc Zinggeler (CSEM Muttenz) Dr. Silvia Generelli (CSEM Muttenz)
Prof. Dr. Daniel Gygax (FHNW Muttenz)
Dr. Mathias Wipfl (MOMM Diagnostics GmbH, Basel)

Neue Linsen für Röntgenuntersuchungen

Im Nano-Argovia-Projekt ACHROMATIX entwickelt ein interdisziplinäres Team ein neuartiges Linsensystem, das für wissenschaftliche Untersuchungen mit Röntgenstrahlen eingesetzt werden kann. Dr. Joan Vila-Comamala vom Paul Scherrer Institut leitet das Projekt, bei dem Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen des Paul Scherrer Instituts, der Universität Basel und der Firma XRnanotech ihre Expertise einbringen.

Röntgenstrahlen spielen heutzutage nicht nur im medizinischen Alltag eine wichtige Rolle. Auch in der Forschung oder bei Materialanalysen werden die besonderen Eigenschaften von Röntgenstrahlen genutzt. In der Röntgenmikros-kopie werden dabei Linsen verwendet, die den Röntgenstrahl auf die Probe fokussieren oder ein vergrössertes Bild erstellen. Dazu wurden in den letzten Jahren verschiedene Linsen entwickelt, welche die Röntgenstrahlen reflektieren, brechen oder beugen. Diese drei verschiedenen Linsentypen haben Vor- und Nachteile.

Unterschiede je nach Wellenlänge
Brechende (refraktive) und beugende (diffraktive) Linsen fokussieren Röntgenstrahlung verschiedener Wellenlänge in unterschiedlichen Abständen. Fachleute sprechen dabei von einer chromatischen Aberration. Werden Röntgenröhren als Quelle der Röntgenstrahlung eingesetzt, ist es daher erforderlich den vergleichsweise breiten Wellenlängenbereich mit einem Monochromator zu reduzieren. Dadurch wird allerdings die Zahl der Lichtteilchen (Photonen) stark reduziert, was wiederum die Verwendung der Röntgenröhre in der Röntgenmikroskopie eingeschränkt.

«Das Herzstück eines jeden Mikroskops ist seine Optik. Mit neuen und besseren Optiken lassen sich ungeahnte Einblicke in Materialien und Materie erzielen und neue Erkenntnisse gewinnen. Das Nano-Argovia-Projekt bietet uns die Möglichkeit, die Optiken für Röntgenmikroskope entscheidend zu verbessern.»

Dr. Florian Döring, CEO und Gründer von XRnanotech GmbH

Kombination von Linsen
In dem Nano-Argovia-Projekt ACHROMATIX entwickeln die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler nun eine Kombination aus einer refraktiven und einer diffraktiven Linse. Sie designen diese Linsenkombination so, dass sich die chromatische Aberration der beiden Linsen ausgleicht.
Zunächst ermitteln die Forschenden basierend auf theoretischen Berechnungen die beste Linsenkombination, die sie im darauffolgenden Schritt mithilfe modernster Nanofabrikationstechniken herstellen. Die fertige achromatische Röntgenlinse wird anschliessend genau charakterisiert und getestet.
Die Linse soll später für die Transmissions-Röntgenmikroskopie eingesetzt werden, um biomedizinische Laboruntersuchungen durchzuführen. Die Forschenden erwarten dabei eine etwa zehnfache Verbesserung des Photonenflusses. Untersuchungen, die heute nur mit der Synchrotronlichtquelle möglich sind, sollen mit Röntgenröhren und den neuen Linsen realisierbar werden und damit den Einsatz von Röntgenuntersuchungen für wissenschaftliche Zwecke deutlich voranbringen und erweitern.
Als Partner in dem Projekt sind neben dem Projektleiter Dr. Joan Vila-Comamala (PSI), Dr. Christian David (PSI), Dr. Georg Schulz (Departement Biomedical Engineering, Universität Basel), Prof. Dr. Bert Müller (Biomaterial Science Center, Universität Basel) und Dr. Florian Döring von XRnanotech (Villingen) beteiligt.

 

Weitere Informationen:

XRnanotech
Paul Scherrer Institut
Biomedical Science Center Universität Basel


Neuer Hybrid-Pixel-Detektor für die Kryo-Elektronenmikroskopie

Im Nano-Argovia-Projekt HPDET-EM arbeiten Fachleute für Elektronenmikroskopie von der Universität Basel und dem Paul Scherrer Institut unter der Leitung von Professor Dr. Timm Maier (Biozentrum, Universität Basel) mit dem Team von Dr. Sacha de Carlo von DECTRIS AG (Baden-Dättwil) zusammen, um einen neuen Hybrid-Pixel-Detektor zu installieren und zu testen. Das neue Gerät soll ganz spezifisch auf die Besonderheiten der Kryo-Elektronenmikroskopie (Kryo-EM) abgestimmt sein und damit die Erfolgsgeschichte der Kryo-EM in den Life Sciences fortführen.

Dreidimensionale Struktur
Die Kryo-Elektronenmikroskopie hat sich in den letzten Jahren enorm weiterentwickelt. Neue Methoden der Datenverarbeitung und verbesserte Elektronendetektionskameras haben dazu geführt, dass nun einzelne Aminosäuren identifiziert werden können. Mithilfe der Daten aus Kryo-EM-Analysen lässt sich heute die dreidimensionale Struktur von Proteinen bestimmen, die beispielsweise notwendig ist, um Lebensprozesse und die Entstehung von Krankheiten zu verstehen oder auch neue Medikamente zu entwickeln.
Im Gegensatz zur Röntgenkristallographie, die noch immer vorwiegend zur Identifikation der räumlichen Proteinstruktur verwendet wird, ist bei der Kryo-EM-Analyse die Kristallisation des Proteins nicht erforderlich. Dank der mit dem Nobelpreis ausgezeichneten, von dem Schweizer Professor Dr. Jacques Dubochet entwickelten Kryo-EM-Methode, werden die Probe schockgefroren, sodass Wasser blitzschnell zu amorphem Eis erstarrt. Die Probe wird dann aus verschiedenen Richtungen analysiert und durch Computerprogramme die dreidimensionale Elektronendichte errechnet, die schliesslich zu Aufklärung der räumlichen Struktur führt. Nachteilig bei der Kryo-EM sind die hohen Kosten für moderne Elektronenmikroskope und Detektoren sowie der hohe Zeitaufwand der Analysen.

«Wir sind zuversichtlich, dass die Zusammenarbeit, die auf die Integration dieser vielversprechenden Detektortechnologie in den Life-Sciences Kryo-EM Workflow sowie in das etablierte Netzwerk innerhalb der Life-Sciences- und EM-Community abzielt, DECTRIS dabei helfen wird, dieses wichtige neue Marktsegment zu erreichen.»

Dr. Sacha de Carlo, Global Sales Manager EM bei Dectris

Besser für Kryo-EM
In dem Nano-Argovia-Projekt HPDET-EM wird nun ein Hybrid-Pixel-Detektor getestet, der besser den Bedürfnissen der Kryo-Elektronenmikroskopie entspricht, als Modelle, die für Synchrotron- und Röntgenanalysen verwendet werden.
Die Firma DECTRIS, Weltmarktführer im Bereich der Hybrid-Pixel-Detektoren, arbeitet dabei mit den Spezialisten der Universität Basel Prof. Dr. Timm Maier, Dr. Mohamed Chami und Prof. Dr. Michael Steinmetz vom Paul Scherrer Institut zusammen.
Bei den Hybrid-Pixel-Detektoren wird ein Halbleitersensor und der Auslesechip unabhängig voneinander optimiert und hergestellt und dann elektrisch gekoppelt. Dabei werden einzelne Module aneinandergereiht.
Die Forschenden installieren und testen nun einen neuen von DECTRIS entwickelten Hybrid-Pixel-Detektor, der eine hohe Auslesegeschwindigkeit und Empfindlichkeit besitzt. Sie entwickeln die notwendigen Protokolle für die Bedienung und Analyse in Verbindung mit Kryo-EM, um die Technologie für die Anwendung in den Biowissenschaften noch weiter voranzutreiben.

 

Weitere Informationen:

DECTRIS
Paul Scherrer Institut
Biozentrum, Universität Basel


Therapie gegen Geschwüre in der Mundschleimhaut

Im Nano-Argovia-Projekt Hydrogel-Patch entwickelt ein interdisziplinäres Team unter Leitung von Dr. Lucy Kind (Hochschule für Life Sciences, FHNW) zusammen mit der Firma credentis AG (Windisch) ein Pflaster, das bei unspezifischen Geschwüren in der Mundschleimhaut eingesetzt werden soll. Das Pflaster besteht aus einem sich selbst aufbauenden synthetischen Peptid-Hydrogel, das die betroffenen Stellen zunächst abdeckt und potenziell auch dafür geeignet ist, heilende Wirkstoffe abzugeben.

Transmission-Elektronen-Mikroskopische Aufnahme des Peptid-Hydrogels, das zur Behandlung unspezifischer Geschwüre im Mund eingesetzt werden könnte. (Bild: L. Kind, FHNW)

Umfassende Therapie gesucht
Wunden in der Mundschleimhaut können verschiedene Ursachen haben. Sie entstehen beispielsweise durch Verletzungen, Infektionen, reduzierte Immunreaktionen oder als Folge von Tumoren.
Bei unspezifischen Geschwüren liegt oft eine Kombination von Ursachen zugrunde. In jedem Fall verursachen die Wunden Schmerzen beim Essen oder Sprechen und beeinträchtigen damit die Patientinnen und Patienten. Eine ideale Therapie, die direkt im Mund angewendet werden kann, Schmerzen lindert, den Heilungsprozess unterstützt und ohne tierische Bestandteile auskommt, wäre wünschenswert.
Das Forscher-Team plant nun ein synthetisches Peptid-Hydrogel zu testen, das diese Anforderungen erfüllt. Das verwendete Hydrogel besteht aus synthetischen, sich selbst aufbauenden Peptiden, die an weichem, feuchtem Gewebe haften. Verschiedene Substanzen können das faserige Netzwerk vernetzen und für eine erhöhte Stabilität sorgen.
Die Technologie wird bereits für andere zahnmedizinische Anwendungen wie die gesteuerte Schmelzregeneration eingesetzt und zeigt eine hervorragende Kompatibilität mit dem Gewebe.

«Seit über einem Jahrzehnt arbeiten wir erfolgreich mit der FHNW zusammen.
In jedem Produkt der credentis steckt ein Stück Nordwestschweiz drin. In der SNI-Kooperation mit der Universität Basel und der FHNW, möchten wir einen Schritt weitergehen und neue Indikationen im Oral Care Bereich ausloten. Wir versprechen uns davon innovative und intelligente Regenerationssysteme im Bereich des Weichgewebemanagements.»

Michael Hug, CTO bei credentis AG

Auf Erfahrung aufbauen
Im Nano-Argovia-Projekt PERIONANO untersuchten Forschende aus dem SNI-Netzwerk bereits den Einsatz des Hydrogels, um Entzündungen an Zahnimplantaten zu behandeln.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler testen nun in dem neuen Nano-Argovia-Projekt Hydrogel-Patch verschiedene Methoden und Substanzen, die das Hydrogel vernetzen und damit stabilisieren. Sie betrachten, wie das Hydrogel an dem feuchten Mundgewebe haftet und wie das Auswaschen verhindert werden kann. Die Biokompatibilität sowie die Integration von Nanokapseln, die Wirkstoffe freisetzen, sind ebenfalls Untersuchungsthemen für das Projektteam.
Neben Projektleiterin Dr. Lucy Kind sind die Teams ihrer FHNW-Kollegen Prof. Dr. Oliver Germershaus und Prof. Dr. Falko Schlottig sowie Prof. Dr. Michael Bornstein vom Universitären Zentrum für Zahnmedizin der Universität Basel und Michael Hug von credentis AG beteiligt.

 

Weitere Informationen:

credentis AG
Hochschule für LIfe Sciences (FHNW)
Universitäres Zentrum für Zahnmedizin der Universität Basel


Akustisches Signal zur Steuerung von Laserstrukturierungsprozessen

Im Nano-Argovia-Projekt LanakPro arbeiten Teams der Fachhochschule Nordwestschweiz mit dem Industriepartner Orvinum AG (Magden) zusammen, um Laser-Nanostrukturierungsprozesse effektiv und verlässlich zu steuern. Das geplante Instrument nutzt akustische Signale, die schnell und zuverlässig über den Fortschritt und die Qualität der Bearbeitung informieren und damit eine Steuerung des Prozesses erlauben.

Die Forschenden im Nano-Argovia-Projekt LanakPro planen ein akustisches Signal zur Steuerung von Laserstrukturierungsprozessen nutzen – hier eine laserstrukturierte Titanoberfläche.(Bild: A. Stumpp, Institut für Produkt- und Produktionsengineering der FHNW)

Materialien, deren Oberflächen durch winzige Strukturen besondere Eigenschaften erhalten, finden immer breitere Anwendungen. Oft werden Laser eingesetzt, um diese Mikro- und Nanostrukturen herzustellen. Kontrolle und Steuerung der Strukturierungsprozesse sind jedoch aufwendig. Für eine breite Anwendung – beispielsweise in der Mikro-
fluidik, Medizintechnik oder Sensorik – wäre es wünschenswert, ein Instrument für die automatisierte Kontrolle des Prozesses und die selbständige Nachführung zur Verfügung zu haben.

Claudio Furrer vom Institut für Produkt- und Produktionsengineering der FHNW gehört zum Projektteam. (Bild: A. Stumpp, Institut für Produkt- und Produktionsengineering der FHNW)

Akustischer Fingerabdruck erfasst
Das Team des Nano-Argovia-Projekts LanakPro, unter Leitung von Armin Stumpp (FHNW), nutzt nun akustische Signale, um eine Steuerung des Strukturierungsprozesses zu realisieren.
Dazu wird zunächst ein «akustischer Fingerabdruck» des optimalen Strukturierungsprozesses erfasst. Bei der eigentlichen Messung an einer Probe kann dann das tatsächliche Signalmuster mit dem optimalen in Echtzeit abgeglichen werden. Dank neuer, schneller und robuster Algorithmen und einer zugrunde liegenden Datenbank wird es dann möglich sein, sofort eine Abweichung zu registrieren, in den Prozess einzugreifen und die notwendigen Anpassungen vorzunehmen.
Die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Teams von Armin Stumpp, Prof. Dr. Matthias Hoebel, Claudio Furrer (alle Hochschule für Technik, FHNW), Dr. Frank Dieterle (Hochschule für Life Sciences, FHNW) sowie Dr. Markus Ehrat (Orvinum AG) entwickeln dieses Instrument, um Entwicklungszeiten und Bearbeitungskosten für Laser-Nanostrukturierungen zu verbessern. Dabei liegt ihr Schwerpunkt auf Anwendungen, die besonders hohe Anforderungen an die Bearbeitungsqualität und -effizienz besitzen, vor allem mit Werkstoffen wie Glas oder Kunststoffen und empfindlichen Substraten wie Keramik.

Mehrere Schritte notwendig
Im Laufe der nächsten Monate wählt das Projektteam nun geeignete Sensoren aus, wobei darauf geachtet wird, dass diese in den relevanten Frequenzbereichen sehr sensitiv sind. Dann werden die akustischen Fingerabdrücke für verschiedene Materialien bei der Laserstrukturierung aufgezeichnet und wesentliche Signale für den Prozessverlauf herausgefiltert, bevor dann erste Laserstrukturierungen mit der akustischen Kontrolle erfolgen können.
Darauf aufbauend, planen die Forschenden dann ein Gerät zu entwickeln, dass es auch Benutzern ohne Spezialausbildung ermöglicht, anspruchsvolle Laserprozesse für verschiedene Substrate schnell und reproduzierbar durchzuführen.

«Die im Rahmen dieses Projektes zu entwickelnde Prozesskontrolle wird sich positiv auf die Präzision, die Robustheit und die Dauer des Prozesses auswirken und somit der
Lasernanostrukturierung neue Anwendungsmöglichkeiten eröffnen.»

Markus Ehrat, CSO bei Orvinum AG

 

Weitere Informationen:

Orvinum AG
Hochschule für Technik (FHNW)
Hochschule für LIfe Sciences (FHNW)


Hydrogel-Schablone für die bessere Integration ins Weichgewebe

In dem Nano-Argovia-Projekt LIGARECO untersuchen Forschende der Fachhochschule Nordwestschweiz, der Universität Basel und des Industriepartners NovoNexile AG (Füllinsdorf) den Einsatz einer Hydrogel-Schablone, um Entzündungen an Zahnimplantaten präventiv vorzubeugen. Dr. Joachim Köser (FHNW) und Dr. Khaled Mukaddam (Universität Basel) leiten das Projekt.

Hydrogel Schablone (Bild: FHNW und Novonexile)

Das Einsetzen von Zahnimplantaten gehört heute zum Alltag in einer zahnmedizinischen Praxis. Für Patientinnen und Patienten bietet ein Implantat zahlreiche Vorteile. Bei etwa einem Viertel kommt es jedoch früher oder später zu Entzündungen um das Implantat (Periimplantitis), die teilweise sogar zum Verlust des Implantats führen können.

Kiefer mit zwei Implantaten. Links: ungerichtetes Weichgewebewachstum um ein Implantat, rechts: ein Schema der Hydrogel-Schablone mit Wachstumskanälen, die bei der Implantation zwischen Knochen und dem eröffneten Weichgewebe eingesetzt wird, bevor die Wunde verschlossen wird. (Bild: K. Mukaddam (UZB) und FHNW)

Fehlende Integration
Zurückzuführen sind diese entzündlichen Prozesse auf eine fehlende Integration des Implantats in das umgebende Weichgewebe. Bisher wurde vor allem daran gearbeitet, das Implantate sicher und gut im Knochen zu verankern. Jedoch ist auch eine optimale Verbindung zwischen Implantat und Weichgewebe erforderlich.
Bei einem natürlichen Zahn verbindet eine Struktur aus radial angeordneten Kollagenfasern, das sogenannte paradontale Ligament, den Zahn stabil mit dem umliegenden Gewebe. Auch bei Implantaten werden diese Kollagenbündel weichgewebsseitig teilweise ausgebildet. Jedoch sind diese meist anders orientiert als bei einem natürlichen Zahn. Dieser Verbund ist mechanisch weniger fest und kann das Eindringen von entzündlichen Bakterien ermöglichen.

Verankerung mit Weichgewebe
Im Nano-Argovia-Projekt LIGARECO soll nun eine mikrostrukturierte, resorbierbare Hyrogel-Schablone entwickelt werden, welche die gezielte Ausbildung von Kollagenfasern um Zahnimplantate stimulieren soll. Ähnlich wie bei einem natürlichen Zahn sollen diese Fasern den Implantathals besser mit dem umliegenden Weichgewebe verankern, sodass eine Barriere entsteht, die das Eindringen von Bakterien verhindern und somit das Implantat vor bakteriellen Infektionen schützen soll.
Neben den beiden Projektleitern Dr. Joachim Köser (Hochschule für Life Sciences, FHNW) und Dr. Khaled Mukaddam (Universitäres Zentrum für Zahnmedizin, Universität Basel, UZB) sind Prof. Dr. Sebastian Kühl (UZB) und Dr. Stefano Tugulu von der NovoNexile AG (Füllinsdorf, BL) an dem Projekt beteiligt. Sie untersuchen zunächst die Herstellung der Hydrogel-Schablone. Danach konzentrieren sie sich auf die funktionale Mikro- und Nanostrukturierung der Hydrogele, welche die Ansiedlung von Ligament-bildenden Zellen und die Ausbildung der gewünschten Fasern steuern.

«Das Nano-Argovia-Programm ist eine wertvolle Gelegenheit mit zwei regional führenden Institutionen wie der FHNW und der Universität Basel zusammenzuarbeiten, um diese nächste Generation von funktionalen Biomaterialien zu entwickeln.»

Dr. Stefano Tugulu, Gründer und Direktor von NovoNexile AG

 

Weitere Informationen:

NovoNexile AG
Hochschule für Life Sciences (FHNW)
Universitäres Zentrum für Zahnmedizin Basel


Nanoskaliger Magnetfeldsensor

Ein interdisziplinäres Team arbeitet im Nano-Argovia-Projekt Nanocompass eng zusammen, um einen neuartigen Magnetfeldsensor zu entwickeln. Der Sensor soll weitaus kleiner sein als kommerziell erhältliche, aber trotzdem in Massenproduktion hergestellt werden können. Unter Leitung von Prof. Dr. Joris Pascal planen die Forschenden der Hochschulen für Life Sciences und Technik und des Industriepartners Camille Bauer Metrawatt AG (Wohlen) bekannte Prinzipien zu kombinieren. Sie wollen so einen Weg finden winzige Magnetometer zu produzieren, die in zahlreichen Gebieten wie magnetischen Kameras, bei der Qualitätskontrolle oder auch in der Medizinaltechnik Einzug finden können.

Der winzige, neu entwickelte Magnetfeldsensor soll sich für die Massenproduktion eignen. (Bild: Spintec/FHNW)

Sensor für Magnetfeld
Ein klassischer Kompass ist nichts anderes als ein magnetischer Sensor. Die Kompassnadel reagiert auf das Magnetfeld der Erde und richtet sich nach Norden aus. In unserem tagtäglichen Leben sind zahlreiche andere Magnetfeldsensoren aktiv – meist ohne, dass es uns bewusst ist. In modernen Autos beispielsweise verlassen wir uns auf etwa 70 Magnetfeldsensoren, die Sicherheit, Kontrolle und Komfort garantieren. Auch in Mobiltelefonen helfen mikroelektronische magnetische Sensoren, die Lage des Telefons zu bestimmen und in der Medizinaltechnik überwachen magnetische Sensoren schon heute die Aktivität von Herzschrittmachern und Systemen zur Medikamentenverabreichung.

«Das Projekt Nanocompass eröffnet neue Perspektiven in der Energiemesstechnik, insbesondere bei der kontaktlosen Bestimmung von elektrischen Strömen.»

Thomas Keusch,
Leiter Research & Development bei Camille Bauer Metrawatt

Nanoskalig und industriell produziert
Das Projektteam im Nano-Argovia-Projekt Nanocompass plant nun, den ersten nanoskaligen Magnetfeldsensor zu entwickeln, der mit einem weitverbreiteten industriellen Fertigungsprozess hergestellt werden kann. Die Forschenden um Prof. Dr. Joris Pascal (Hochschule für Life Sciences, FHNW), Prof. Dr. Stefan Gorenflo (Hochschule für Technik, FHNW) und Thomas Keusch (Camille Bauer Metrawatt AG) kombinieren dazu zwei bekannte Prinzipien.
Das sogenannte Fluxgate-Prinzip, das bisher hauptsächlich für makroskopische Sensoren Anwendung findet, soll jetzt auf ein spintronisches Bauelement angewendet werden.

Dieser erste nanoskalige Magnetfeldsensor wird mit weniger als 100 x 100 Nanometern winzig klein sein, sehr wenig Strom verbrauchen und industriell in Massenproduktion herzustellen sein. Auf einem Chip lässt sich somit eine Vielzahl von Magnetfeldsensoren zusammen mit ihrer Konditionierungs- und Verarbeitungselektronik integrieren und eine breite Anwendung in zahlreichen Bereichen ermöglichen.

 

Weitere Informationen:

Camille Bauer Metrawatt AG
Hochschule für LIfe Sciences (FHNW)
Hochschule für Technik (FHNW)


Neue Ultrakurzpuls-Laserquelle für die Bearbeitung von Nanomaterialien

Im Nano-Argovia-Projekt NanoLase entwickelt ein Team der Hochschule für Technik (FHNW), des Paul Scherrer Instituts und der Firma TLD Photonics AG (Wettingen, AG) eine neuartige Laserquelle, die ultrakurze Pulse erzeugt. Das neue Gerät soll im Vergleich zu bestehenden Lasersystemen kostengünstiger, zuverlässiger und kompakter sein und im Vergleich zu aktuellen Industrielasern um ein Vielfaches kürzere Pulse erzeugen – was den Übergang von der Lasermikrobearbeitung zur Lasernanobearbeitung ermöglicht. Neben der industriellen Materialbearbeitung wäre eine solche Laserquelle auch in den Life Sciences und zahlreichen anderen wissenschaftlichen Anwendungen von grossem Nutzen.

Versuchsaufbau des Femtosekundenlasers. Blaues Licht wird von den neuen Pumpdioden emittiert. (Bild: B. Resan, FHNW)

Verschiedene Parameter entscheidend
Laser werden heute zur Bearbeitung einer Vielzahl von Materialien eingesetzt. Wellenlänge, mittlere Leistung, Pulsenergie und Pulsdauer des Lasers sind Parameter, die an das jeweilige Material und Projekt angepasst werden müssen und entscheidend für das Ergebnis der Bearbeitung sind. Wie stark sich das Material erwärmt, die Qualität der Mikrostruktur verschlechtert und wie viel Material der Laser dabei abträgt, wird vor allem durch die Dauer des Laserpulses und die Bestrahlungsstärke bestimmt.
Soll bei der Bearbeitung mit einem Laser die Wärmeentwicklung auf einen sehr kleinen Bereich (Wärmeeinflusszone < 1 Mikrometer) reduziert werden, sind Pulse von extrem kurzer Dauer von weniger als 100 Femtosekunden (1 Femtosekunde = 10-15 Sekunden) erforderlich. Bisher war dies nur mit wissenschaftlichen Laseraufbauten in Forschungslaboren und mit geringer Leistung möglich. Dies führt zu nicht reproduzierbaren Ergebnissen und langen Bearbeitungszeiten, die für industrielle Anwendungen nicht akzeptabel sind.

Kürzere Pulse
Im Nano-Argovia Projekt NanoLase verfolgen die Teams von Projektleiter Prof. Dr. Bojan Resan (FHNW), Dr. Alexandre Trisorio (PSI) zusammen mit dem Industriepartner Stephan von Wolff (TLD Photonics AG) einen neuen Ansatz, der eine präzisere Bearbeitung durch kürzere Pulse ermöglicht – für Polymere und Glas mit Lasern mit Emissionswellenlängen im Infrarotbereich und für Metalle mit einer in den UV-Bereich konvertierten Laserwellenlänge.
Dies wollen die Forschenden durch die Entwicklung eines Laserverstärkers aus titandotiertem Saphir mit einer neuen Einkristallgeometrie (SCF) erreichen. Die SCF-Geometrie ermöglicht durch eine effizientere Kühlung eine mehrfache Steigerung der mittleren Laserausgangsleistung. Darüber hinaus werden die Wissenschaftler neuartige, kostengünstige blaue Laserdioden mit einer Wellenlänge von 445 Nanometern (Massenware für Displays und die Autoindustrie) zum Pumpen des titandotierten Saphirlasers verwenden, wodurch der Laser kompakt, kostengünstig und industrietauglich wird.
Die Ergebnisse dieses Projekts sollen den derzeitigen Mangel an kompakten, kostengünstigen und zuverlässigen Lasern beheben, die hohe Leistung und ultrakurze Pulse erzeugen und für die industrielle Mikro- und Nanobearbeitung geeignet sind.

«Das NanoLase-Projekt ist sehr aufregend und vielversprechend für TLD Photonics, da es dazu beiträgt, die neue Technologie zu entwickeln und ihren Einsatz in der Materialbearbeitung zu demonstrieren. Das Projekt kann eine neue Produktlinie für TLD Photonics hervorbringen, die den Durchbruch von der Lasermikro- zur Lasernanobearbeitung schafft.»

Stephan von Wolff, Vorstandsvorsitzender der TLD Photonics AG

 

Weitere Informationen:

TLD Photonics
Hochschule für Technik (FHNW)
Paul Scherrer Institut


Die Bluthirnschranke überwinden

Im Nano-Argovia-Projekte NANO-thru-BBB entwickelt ein interdisziplinäres Team unter Leitung von Prof. Dr. Patrick Shahgaldian (FHNW) eine Plattform, die es ermöglicht Nanopartikel zu designen, welche die Bluthirnschranke überwinden können. An dem Projekt sind Forschende der Hochschule für Life Sciences (FHNW), der Universität Basel sowie des Industriepartners Perseo pharma AG (Muttenz, BL) beteiligt.

Im Nano-Argovia-Projekt Nano-thru-BBB entwickeln Wissenschaftler eine neue technologische Plattform, die das Design von Nanopartikeln ermöglichen soll, die das Potenzial haben, die Blut-Hirn-Schranke zu passieren. (Bild: Perseo Pharma)

Selektiver Eintritt
Die Bluthirnschranke ist eine komplexe, selektive Barriere, die das Gehirn vor schädigenden Substanzen oder Erregern, die sich im Blutkreislauf befinden, schützt. Nährstoffen, die das Gehirn benötigt, gelangen nur über spezifische, kontrollierte Transportprozesse ins Gehirn, während zahlreichen Makromolekülen der Eintritt verwehrt wird. Auch biologische Therapeutika, die zur Behandlung neurologischer Krankheiten im Gehirn eingesetzt werden könnten, können die Bluthirnschranke im Allgemeinen nicht überwinden.
Nanopartikel, in denen diese biologischen Makromoleküle «verpackt» sind, können die Barriere unter bestimmten Umständen jedoch passieren. Bisher existiert jedoch keine Studie, die systematisch aufzeigt, welche Oberflächeneigenschaften die optimalen Nanotransporter haben sollten.

Interdisziplinäres Team
Die Forschungsgruppen von Prof. Dr. Patrick Shahgaldian, Prof. Dr. Laura Suter-Dick (beide FHNW), Prof. Dr. Jörg Huwyler (Universität Basel) sowie Dr. Ing. Yves Dudal und Dr. Emilie Laprévotte (beide Perseo pharma) planen nun eine neue technologische Plattform zu entwickeln, die ein optimiertes Design derartiger Nanopartikel ermöglicht.
Basierend auf einer neuartigen Methode der kombinatorischen Oberflächenmodifikation werden die Forschenden die chemische Struktur und das Nanopartikeldesign untersuchen und an zellulären Blut-Hirn-Schranke-Modellen (in vitro) sowie an Zebrafischmodellen (in vivo) testen. Unterstützt durch Computeranalysen werden die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler in der Lage sein, die am besten geeignete Nanopartikelstruktur zu bestimmen, die eine Passage durch die Blut-Hirn-Schranke ermöglicht.
Konkret sollen in dem Projekt Enzyme durch die Bluthirnschranke ins Gehirn eingeschleust werden, mit denen vererbbare lysosomale Speicherkrankheiten behandelt werden können. Langfristig liefert das Projekt eine solide Datenbasis, um klinische Studien mit nano-formulierten Enzymen gegen diese Stoffwechselkrankeiten durchzuführen.

«Etwa dreißig Enzym-Ersatztherapien sind auf dem Markt für die lebenslange Behandlung einer Familie von vererbbaren Stoffwechselstörungen – den lysosomalen Speicherkrankheiten. Diese Medikamente erreichen jedoch nicht das Gehirn der Patientinnen und Patienten. Folglich können betroffene Kinder zwar am Leben teilhaben, wachsen aber meist mit erheblichen geistigen Problemen auf. Die Möglichkeit, diese therapeutischen Enzyme ins Gehirn zu bringen, würde einen grossen Durchbruch für die Patienten bedeuten. Perseo pharma ist hoch motiviert, einen präklinischen Konzeptnachweis für diesen Ansatz zu erbringen und eine neue Generation von Enzymersatztherapien weiter zu entwickeln.»

Dr. Ing. Yves Dudal, CEO von Perseo pharma

 

Weitere Informationen:

Perseo pharma AG
Hochschule für LIfe Sciences (FHNW)
Departement Pharmazeutische Wissenschaften Universität Basel


Nanokomposit-Elektroden für die Diagnostik

Ein interdisziplinäres Team von Forschenden im Nano-Argovia-Projekt PEPS entwickelt ein neuartiges Diagnosegerät für bestimmte Biomarker, das sich für die sogenannte patientennahe Labordiagnostik eignet. Fachleute sprechen dabei meist vom point of care testing (POCT), das ohne spezielles Diagnostiklabor auskommt – ähnlich wie bei den uns inzwischen gut bekannten Corona-Schnelltests oder bei der Überwachung des Blutzuckerspiegels bei Diabetikern.

Marc Zinggeler mit gedruckten PEPS-Elektroden vor dem Siebdrucker im CSEM-Reinraum in Basel. (Bild: CSEM)

Selektiver Eintritt
POC-Testing ermöglicht nicht nur, dass Patientinnen und Patienten zuhause selbst relevante Werte überwachen können, sondern stellt auch medizinischem Fachpersonal schnelle und einfach durchzuführende Tests zur Verfügung, die eine effizientere und sichere Therapie ermöglichen. In Regionen mit schlechter Versorgung mit spezialisierten Diagnostikeinrichtungen bieten derartige POC-Tests, die keine weitere technische Ausstattung benötigen, enormes Potenzial.
Das Team mit Forschenden des CSEM Muttenz, der Fachhochschule Nordwestschweiz und von MOMM Diagnostics (Basel) unter Leitung von Dr. Marc Zinggeler (CSEM Muttenz) entwickelt nun ein digitales POC-Gerät, das mit einem elektrochemischen Sensor ausgestattet ist und bestimmte Protein-Biomarker detektieren soll. Diese Biomarker liefern Hinweise auf verschiedene Krankheiten, beispielsweise Präeklampsie – eine auch Schwangerschaftsvergiftung genannte Komplikation in der Schwangerschaft. Auf die Diagnose von der für Kind und Mutter gefährlichen Erkrankung hat sich die junge Firma MOMM Diagnostik spezialisiert, die von dem ehemaligen Nanostudenten Dr. Mathias Wipf gegründet wurde.

Nahaufnahme der Elektroden (Bild: CSEM)

Auf die Mischung kommt es an
Neu bei dem im PEPS-Projekt gewählten Ansatz ist die geplante Verwendung von leitfähigen, kostengünstig herstellbaren Nanokomposit-Elektroden aus einer Mischung von Kohlenstoff-Nanoröhrchen und einem hydrophilen Polymer. Diese Kombination verleiht den Elektroden eine hohe Leitfähigkeit, die für die elektrochemische Auslesung des Tests benötigt wird. Zudem zeichnet sich das Material durch abweisende (antifouling) Eigenschaften aus, die effektiv vor einer Verschmutzung der Sensoroberfläche durch unspezifische Adsorptionsprozesse in der biologischen Probenflüssigkeiten (wie Blutserum) schützt.
Zunächst entwickelt das Team die bereits in Vorarbeiten hergestellten Nanokomposit-Elektroden weiter und realisiert eine Plattform, mit der die Analyse klinisch relevanter Biomarker demonstriert werden kann. Wenn dieser Schritt im ersten Jahr erfolgreich abgeschlossen ist, planen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine mikrofluidische Plattform zu integrieren und den POC-Test zu realisieren.
Dabei behält das PEPS-Team, zu dem neben Projektleiter Dr. Marc Zinggeler und Industriepartner Dr. Mathias Wipf auch Dr. Silvia Generelli (CSEM Landquart) und Prof. Dr. Daniel Gygax (FHNW Muttenz) gehören, die Ausweitung der Sensorherstellung auf höhere Stückzahlen im Auge, damit die Plattform dann später erfolgreich industriell hergestellt werden kann.

«Die PEPS Nanokomposit-Elektoden vereinen eine hohe elektrische Leitfähigkeit mit starken Antifouling-Eigenschaften. Diese Kombination könnte der Schlüssel zu hochsensitiven elektrochemischen POC-Tests sein.»

Dr. Mathias Wipf, Gründer und CEO von MOMM Diagnostics

 

Weitere Informationen:

MOMM Diagnostics
CSEM
Hochschule für LIfe Sciences (FHNW)