Argovia-Projekte 2014

A9.2 em-Select – Mit Nanotechnologie zu neuen Textilien

2014-2015

Im Project em-Select arbeiten Wissenschaftler unter Leitung von Professor Uwe Pieles von der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) an der Erforschung neuartiger Textilien, die antistatische Eigenschaften besitzen.

Moderne Kleidungsstücke aus Kunstfasern laden sich oft statisch auf, da sie nicht elektrisch leitend sind und sich die elektrische Ladung daher auf der Oberfläche des Gewebes akkumuliert. Die Entladung kann unter besonderen Umständen zu Feuer oder Explosionen führen oder elektronische Geräte negativ beeinflussen. Besonders in sensiblen Bereichen wie in Krankenhäusern, wo lebensnotwendige elektrische Geräte zur Ausstattung gehören, möchte man elektrostatische Aufladung von Kleidung und die damit verbundene Entladung möglichst verhindern. Mit Hilfe von metall- oder carbonhaltigen Fasern oder chemischen Beschichtungen lässt sich die Aufladung zwar vermeiden, jedoch geht diese Behandlung mit einem Verlust des Tragekomforts, der Haltbarkeit oder des Aussehens einher.

In dem Nano-Argovia-Projekt em-Select wollen die Forschenden nun einen ganz neuen Ansatz erproben, um Textilien ohne die erwähnten Nachteile antistatisch zu machen. In ihrem Forschungsansatz stellen die Wissenschaftler nanometergrosse Fasern aus einer Mischung von leitenden Polymeren und nicht-leitenden wasserlöslichen Polymeren her. Die Wissenschaftler behandeln die Textilien mit dieser Mischung, so dass die Oberfläche des Gewebes anschliessend mit leitenden Polymerfasern überzogen ist. Diese erlauben den Transport elektrischer Ladung, verhindern damit eine Akkumulation und damit die plötzliche Entladung.

Beim Argovia-Projekt em-Select arbeiten Forschende der FHNW in Muttenz und Windisch mit Kolleginnen und Kollegen des PSI und der Schweizer Firma HeiQ Materials aus Bad Zurzach zusammen.

A 9.6.NANOFIL – Bessere Filter zum Nutzen der Umwelt

2014-2015

Das Projekt NANOFIL verfolgt das ehrgeizige Ziel neue Filtersysteme zu entwickeln, die feine Partikel und Schwermetalle aus Abluft filtern und damit einen deutlichen Beitrag zur Entlastung der Umwelt leisten können. Im Rahmen des Projektes arbeiten unter Leitung von Professor Christian Ludwig vom Paul Scherrer Institut Forschende der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) in Muttenz und Windisch mit der Firma ALSTOM zusammen.

Mikro- und Nanopartikel kommen häufig in der Abluft vor, lassen sich aber mit herkömmlichen Filtern nur schlecht herausfiltern. Ebenso verhält es sich mit Schwermetallen wie Blei, Arsen oder Kadmium. Sie belasten die Umwelt stark, sind aber schwierig zu entfernen. Vor allem in rasant wachsenden Schwellenländern in Asien und Südamerika stellt dies bereits eine grosse Belastung für die Umwelt dar, die zu Gesundheitsproblemen in der Bevölkerung führt. Aber auch in den Industrienationen ist die Feinstaubbelastung ein wichtiges Thema.

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die sich im Projekt NANOFIL engagieren, haben nun ein neuartiges Konzept entwickelt, um Nano- und Mikropartikel sowie Schwermetalle aus der Luft zu filtern. Sie benutzen dazu Gewebe aus einem feinen Netz von Nanofasern, die Mikro- und Nanopartikel mechanisch filtern. Diese Nanofasern sind chemisch funktionalisiert, so dass Schwermetalle daran haften und damit ebenfalls aus der Luft entfernt werden können. Herausfordernd ist dieser Aspekt, da die Schwermetalle in ganz verschiedenen chemischen Formen mit unterschiedlichen Eigenschaften auftreten können. Die Forschenden werden in dem Argovia-Projekt geeignete funktionalisierte Nanofasern auswählen, die Herstellung der Filter untersuchen und das Konzept in simulierten Laborversuchen bestätigen.

A9.7 NanoSiCTrenchFet – Mikroskopische Gräben versprechen Verbesserungen

2014-2015

Im Projekt Nano-Trench MOSFETs untersucht ein Wissenschaftlerteam unter Leitung von Dr. Marc Schnieper und Dr. Nenad Marjanović vom CSEM in Muttenz einen neuartigen Transistortyp, der den verschiedenen Anforderungen des gesteigerten Energiebedarfs des modernen Zeitalters der Information und der globalen Mobilität gerecht wird. Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler aus den Gruppen von Professor Jens Gobrecht vom Paul Scherrer Institut und von Professor Ernst Meyer von der Universität Basel sind ebenso beteiligt wie Dr. Renato Minamisawa und Dr. Holger Bartolf vom Konzernforschungszentrum der ABB Schweiz.

Der zunehmende Energieverbrauch der heutigen Zeit macht es erforderlich, neuartige und effiziente Systeme zur Stromgewinnung und -verteilung zu entwickeln. Das ABB Corporate Research Center (CRC) im Kanton Aargau forscht auf diesem Gebiet und entwickelt Leistungselektronik, die auch mit grossen Stromstärken bei hohen Spannungen intelligent umzugehen weiss. Im Herzen von Energieumrichtersystemen sorgen Hochleistungshalbleiter dafür, dass sinusförmige elektrische Signale die Frequenz der jeweiligen Applikation annehmen. Zurzeit dominieren Leistungshalbleiter auf Silizium-Basis die verschiedenen Anwendungen. Immer wichtiger werden nun auch sogenannte MOSFETs (Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) aus Siliziumcarbid (SiC). Diese Leistungsschalter können aufgrund ihrer überlegenen Materialeigenschaften bei sehr hohen Frequenzen betrieben werden. Dadurch besitzen SiC Leistungshalbleiter das Potenzial die Topologie von Schaltkreisen von Umrichtersystemen grundlegend zu verändern. Umrichter können so kleiner und leichter werden. Diese Eigenschaften machen SiC-MOSFETs zu idealen Kandidaten für zukünftige Anwendungen. Herkömmliche, planare MOSFETs sind allerdings so entworfen, dass eine Vergrösserung der Stromdichten schwierig zu erreichen ist. Die Forschenden untersuchen nun MOSFETs mit mikroskopischen U-förmigen Gräben. Das grabenförmige Layout der MOS-Injektoren für Elektronen erlaubt es die Injektorendichte zu erhöhen. Weiterhin werden die Elektronen durch das U-Layout senkrecht in den vertikalen Leistungsschalter injiziert und müssen somit nicht wie beim planaren MOS-layout durch die Spannung zwischen Anode und Kathode erst in die vertikale Richtung „gezwungen“ werden.

Die Wissenschaftler im Projekt untersuchen und optimieren den Herstellungsprozess dieser speziell strukturierten MOSFETs, der gegenüber planaren MOSFETs deutlich komplexer und aufwendiger ist. Sie charakterisieren das elektronische Schaltverhalten dieser neuen Transistoren und vergleichen deren Eigenschaften mit denen planarer MOSFETs. Dank der grossen Erfahrung der beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler kann eine abschliessende Analyse Aufschluss über das Marktpotenzial dieser neuartigen Transistoren ergeben.

A 9.9 NANOzyme – Neuartige Biokatalysatoren dank Nanotechnologie

2014-2016

Im Projekt NANOzyme untersucht ein Forscherteam von der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW), des Departements für Chemie der Universität Basel und der Schweizer Firma INFOFEA neuartige Biokatalysatoren, die Cofaktoren in situ regenerieren und damit vielseitig und kostengünstig einsetzen lassen.

Enzyme spielen in der Biotechnologie eine grosse Rolle, da sie chemische Reaktionen katalysieren. Viele Enzyme besitzen sogenannte Cofaktoren, die oft sehr instabil sind und sich bei der Reaktion verändern. Diese müssen ersetzt werden oder wieder in den Ursprungszustand gebracht werden, bevor das Enzym erneut verwendet werden kann. Für die Industrie ist der Einsatz dieser Enzyme aufgrund der Instabilität und der erforderlichen Regeneration bisher oft zu aufwendig und teuer. Die Forschenden im Projekt NANOzyme wollen diese Problematik nun angehen. Zum einen erleichtern sie die Regeneration, indem sie ein natürliches mit einem künstlichen Enzym in einem Katalysator kombinieren. Das natürliche Enzym katalysiert die Reaktion, das künstliche sorgt für die Regeneration. Zum anderen haben die Wissenschaftler um den Projektleiter Professor Patrick Shahgaldian (FHNW) eine Methode entwickelt, um immobilisierte Proteine auf der Oberfläche von Siliziumnanopartikeln zu schützen und somit zu stabilisieren. Die Forschenden hoffen, mit diesem Ansatz Enzyme, die Oxidationsprozesse katalysieren, für die biotechnologische und pharmazeutische Industrie besser nutzbar zu machen.

Im Projekt NANOzyme testen die Wissenschaftler zwei verschiedene Modellsysteme, um die Machbarkeit des Konzeptes zu beweisen. Sie untersuchen Enzyme, die in der Biotechnologie und in der pharmazeutischen Industrie eine wichtige Rolle spielen könnten und nutzen ihren Ansatz, um Antibiotikaresistenzen bei Bakterien zu untersuchen. Dabei ergänzen sich die Expertisen der Projektpartner in idealer Weise.

A9.10 PATCELL – Verbesserte Biokompatibilität durch strukturierte Kunststoffoberflächen

2014-2015

Im Argovia-Projekt PATCELL werden Schrauben und Platten zur Knochenfixierung im Schädel-und Kieferbereich so optimiert, dass diese zunächst besser vom Körper angenommen und nach Heilung der Fraktur ohne Komplikationen resorbiert werden können. Dazu untersucht das Team um Projektleiter Professor Per Magnus Kristiansen vom Institut für nanotechnische Kunststoffanwendungen (INKA) der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) den Effekt von Oberflächenstrukturen auf verschiedenen Längenskalen hinsichtlich der Reaktion von Zellen auf die so modifizierten Kunststoffimplantate.

Bei Knochenbrüchen oder Knochenoperationen werden oft Schrauben und Platten zur Fixierung der betroffenen Areale eingesetzt. Im Kiefer- und Schädelbereich verwenden Chirurgen dazu in nur 5% aller Fälle sich selbst auflösende Implantate, da diese oft nicht die erforderlichen mechanischen Eigenschaften aufweisen und es auch zu Komplikationen bei dem Abbau der Implantate kommen kann. Das Forscherteam im Projekt PATCELL kombiniert nun verschiedene Mikro- und Nanostrukturen auf der Oberfläche von polymeren Implantaten, um eine verbesserte Zelladhäsion und somit eine verbesserte Biokompatibilität zu erreichen. Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler müssen dabei beachten, dass das Implantat auf verschiedene Zelltypen im Körper trifft. Eine Seite liegt am Knochen an und Knochen bildende Osteoblasten sollen sich möglichst gut integrieren können. Die andere Seite des Implantats besitzt dagegen im Idealfall eine Oberflächenstruktur, welche die problemlose Interaktion mit Weichteil bildenden Fibroblasten gewährleistet.

Die Forschenden untersuchen zu diesem Zweck verschiedene Herstellungsprozesse für strukturierte Werkzeugoberflächen, um diese auf das Implantatmaterial übertragen zu können. Mit Hilfe von Untersuchungen zur Interaktion mit verschiedenen Zelltypen sollen geeignete Oberflächenstrukturen identifiziert werden, die sich industriell herstellen lassen. An diesem Argovia Projekt sind neben Professor Per Magnus Kristiansen seine FHNW-Kollegen Dr. Ronald Holtz und Dr. Joachim Köser, Dr. Sonja Neuhaus und Christian Rytka sowie Dr. Vitaliy Guzenko und Konrad Vogelsang vom Paul Scherrer Institut und Dr. Stefan Beck von der DePuy Synthes GmbH beteiligt.

A9.12 SCeNA – Den Geheimnissen einzelner Zellen auf der Spur

2014-2016

Im Projekt SCeNA (Single Cell NanoAnalytics = Einzelzellen-Nanoanalytik) untersucht ein interdisziplinäres Team von Forschenden der Universität Basel, der FHNW und der Firma Hoffmann-La Roche unter Leitung von Dr. Thomas Braun (C-CINA) verschiedene Methoden, um individuelle Zellen zu analysieren. Dabei möchten die Wissenschaftler herausfinden wie aktiv diese einzelnen Zellen sind, welche Proteine in welchem Mass produziert werden und welche niedermolekularen Verbindungen in der Zelle zu bestimmten Zeitpunkten vorhanden sind.

Bioanalytische Zelluntersuchungen werden in den meisten Fällen mit Zellkulturen durchgeführt, die zigtausende Zellen enthalten und damit Durchschnittswerte wiedergeben. Die Heterogenität der Zellen und auch Interaktionen zwischen den Zellen spielen bei derartigen Messungen eine grosse Rolle. Viele der Analysen erfordern eine Kennzeichnung (labeling) und sind aufwendig. Untersuchungen von Einzelzellen haben dagegen den Vorteil, dass sie ein klareres Bild bieten und mit sehr wenig Zellmaterial relativ kostengünstig durchzuführen sind. Allerdings sind einzelne Zellen schwierig zu bearbeiten. Dieses Problem gehen die Forscher im Projekt SCeNA an. Sie haben ein neues System entwickelt, mit Hilfe dessen Zellen kultiviert, individuell lysiert und analysiert werden können. Sie können mit der verwendeten Technik einzelne Zellen beobachten und zu bestimmten Zeiten aufarbeiten und untersuchen. Dabei interessiert sich das Team für vier verschiedene Parameter. Zunächst analysieren die Forschenden die Aktivität der Zelle im Bezug auf die Neusynthese von Proteinen mit Hilfe ihrer m-RNA. Sie bestimmen zudem den Gehalt bestimmter Proteine und stellen diese mit Hilfe der Elektronen- oder Rasterkraftmikroskopie dar, um sie zu identifizieren. Ein komplettes Bild über die niedermolekularen Verbindungen im Zelllysat erstellen die Wissenschaftler mittels Massenspektroskopie. Diese vielfältigen Informationen über Einzelzellen liefern ein weiteres Teilchen im grossen Puzzle, um biologische Prozesse besser verstehen zu lernen. Im Projekt SCeNA wird geprüft, ob die gewählten Technologien Potenzial für eine breite Anwendung besitzen.

A9.15 SINAPIS – Länger haltbar dank Struktur

2014-2015

Im Argovia-Projekt SINAPIS arbeiten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler unter Leitung von Dipl.-Ing. Ralf Schumacher von der Fachhochschule Nordwestschweiz (FHNW) daran, Knochenimplantate zu verbessern. Die Forschungsarbeiten zielen darauf, die Kontaktflächen der Implantate mit Hilfe verschiedener Nano- und Mikropartikel zu funktionalisieren und zu strukturieren und somit eine bessere Haltbarkeit und eine optimierte Verankerung im Knochen zu erreichen.

Der Ersatz von Knie- und Hüftgelenken gehört heute bereits zu den chirurgischen Routineeingriffen. Allein in der Schweiz wurden pro Jahr etwa 20’000 künstliche Hüftgelenke und 16’000 künstliche Kniegelenke eingesetzt (siris-implantat.ch). Wünschenswert ist es trotz aller Erfolge die Haltbarkeit der Implantate zu verlängern sowie die Integration der Implantate in den Knochen zu optimieren. Das Projektteam möchte dies mit einer Technik erreichen, die ursprünglich zur Reinigung von Oberflächen gedacht war. Doch statt die Oberfläche der Implantate zu säubern, bringen die Forschenden mit Hilfe der Niederdruck-Wasserstrahl Injektion ganz gezielt verschiedene Kombinationen von Nano- und Mikropartikeln auf. Der Wasserstrahl wird dabei über die Oberfläche bewegt und fungiert als Träger der verschiedenen Partikel, die durch die Behandlung in die Oberfläche eingearbeitet werden. Das SINAPIS Team wird verschiedene Partikel-Kombinationen mit unterschiedlichen Härtegraden prüfen und die Auswirkungen des Strahldrucks auf die Einarbeitung der Partikel untersuchen. Die Wissenschaftler hoffen mit dieser Technik Implantate mit antibakteriellen Eigenschaften auszustatten, das Einwachsverhalten der Knochensubstanz zu optimieren und die Verschleissrate beim tagtäglichen Bewegen des Gelenks zu minimieren.

Zum Team des SINAPIS Projekts gehören neben Ralf Schumacher Professor Michael de Wild von der FHNW und Dr. Olivier Braissant von der Universität Basel sowie Matthias Straubhaar von der Firma WATERjet Robotics in Oftringen.