Im Nano-Argovia-Projekt ForMeL arbeitet ein Forscherteam an der Entwicklung von Liposomen, in denen pharmazeutische Wirkstoffe verpackt und bei Druckveränderung freigesetzt werden können. Derartige mechanoresponsive Liposomen könnten beispielsweise eingesetzt werden, um in arteriosklerotischen Verengungen der Blutgefässe gezielt ein Blutgerinnsel aufzulösen, ohne dabei den ganzen Körper mit gerinnungshemmenden Medikamenten zu belasten.

Wenn es in einem Blutgefäss zu einer Verengung kommt – beispielsweise aufgrund sklerotischer Ablagerungen – nehmen Scherkräfte, die auf Festkörper im Blut wirken mindestens um eine Grössenordnung zu. Es ist heutzutage möglich, synthetische Lipidmembran-Kugeln (Liposomen) herzustellen, die auseinanderfallen, wenn derart verstärkte Scherkräfte auf sie einwirken. Dieses Prinzip möchte die Firma Acthera Therapeutics nutzen, um zielgerichtet pharmazeutische Wirkstoffe unmittelbar am Ort der Verengung freizusetzen.

Diverses Team
Unter Leitung von Professor Dr. Oliver Germershaus (FHNW) arbeitet der Industriepartner Acthera Therapeutics AG aus Basel in dem Nano-Argovia-Projekt ForMeL mit Wissenschaftlern der Hochschule für Life Sciences (FHNW) und des Technologietransfer-Zentrums ANAXAM eng zusammen, um diesem Ziel näher zu kommen.

Zunächst wird die Herstellung und Formulierung der Liposomen im Labormassstab weiter untersucht. Analytische Methoden, mit denen diese charakterisiert werden können, werden entwickelt und die Beladung der Liposomen mit einem geeigneten Wirkstoff optimiert. Um eine problemlose Lagerung der hergestellten Liposomen zu gewährleisten, entwickeln die Forschenden einen Prozess zur Gefriertrocknung. Alle Teilschritte der Herstellung, Formulierung und Gefriertrocknung sollen anschliessend in den Pilotmassstab übertragen werden, sodass Material für erste präklinische Studien produziert werden kann.

Die Kombination der unterschiedlichen Expertisen der beteiligten Partner ermöglicht die effiziente Weiterentwicklung mechanoresponsiver Liposomen im Sinne einer erfolgreichen präklinischen Entwicklung.

«Für uns als neu gegründetes Start-up ist das Nano-Argovia-Programm eine ideale Gelegenheit, um die technischen Voraussetzungen für die präklinische und klinische Untersuchung mechanoresponsiver Liposomen zu schaffen.»
Dr. Andreas Zumbühl, Chief Scientific Officer, Acthera Therapeutics AG (Basel)

Weitere Informationen:

Acthera Therapeutics AG
https://acthera-therapeutics.com

ANAXAM
https://www.anaxam.ch

Hochschule für Life Sciences (FHNW)
https://www.fhnw.ch/de/die-fhnw/hochschulen/lifesciences

Im Nano-Argovia-Projekt Promucola entwickeln Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler eine keramische Beschichtung für Titanimplantate, um diese besser vor Verschleiss zu schützen.

Gelenkimplantate werden häufig aus metallischen Materialien wie Kobalt-Chrom-Legierungen hergestellt, da diese die Anforderungen an Stabilität gut erfüllen. Es kann jedoch bei deren Einsatz zu allergischen Reaktionen kommen, die Probleme verursachen und sogar zum Verlust des Implantats führen können. Titanimplantate, wie sie heutzutage bereits in der Zahnmedizin verwendet werden, könnten aufgrund ihrer guten Verträglichkeit sowie ihrer mechanischen Festigkeit auch als Gelenkimplantat verwendet werden. Allerdings ist der Verschleiss einer unbehandelten Titanoberfläche unter fortdauernder Bewegung, wie dies bei einem Knie-, Schulter- oder Ellenbogengelenk der Fall ist, zu gross.

Enge Zusammenarbeit
Ein interdisziplinäres Team unter Leitung von Professor Dr. Michael de Wild von der Hochschule für Life Sciences (FHNW) entwickelt nun im Nano-Argovia-Projekt Promucola eine robuste keramische Beschichtung, die Titanimplantate gegenüber Verschleiss schützt. Dabei forschen die Wissenschaftler der Hochschule für Life Sciences in enger Zusammenarbeit mit dem neuen Technologietransfer-Zentrum ANAXAM (Villigen) und der Firma Orchid Orthopedics Switzerland GmbH (Baden-Dättwil).

Geplant ist, eine Keramikschicht mithilfe der Plasmaspray-Methode auf das Titanimplantat aufzubringen. Dabei wird die biokompatible Pulvermischung erhitzt und anschliessend auf das Implantat gesprüht. Aufgrund des schnellen Abkühlens entstehen auf der Oberfläche nicht nur gewünschte Schichten, sondern auch metastabile Phasen, welche die Härte und Abriebfestigkeit beeinflussen. In dem Projekt wird nun untersucht, unter welchen Bedingungen sich diese metastabilen Schichten bilden und wie sie sich anschliessend entfernen oder stabilisieren lassen. Basierend auf diesen Ergebnissen wird die Herstellung optimiert und ein Prozess für die Nachbehandlung der Implantate entwickelt.

Dank der modernen Materialanalytik, die über die Beteiligung des Technologietransfer-Zentrums ANAXAM gewährleistet ist, können die beschriebenen Untersuchungen auch im Industriemassstab durchgeführt werden.

«Wir hoffen mit diesem Projekt, die Möglichkeiten der plasma-basierten Keramikbeschichtung weiter ausschöpfen zu können und damit in der Lage zu sein, Titanimplantate mit einer robusten keramischen Oberfläche auszustatten, die das Implantat vor Verschleiss schützt.»
Dr. Armando Salito, Director of Coating Innovation, Orchid Orthopedics Switzerland GmbH

Weitere Informationen:

Orchid Orthopedics Switzerland GmbH
http://www.orchid-ortho.com/switzerland

ANAXAM
https://www.anaxam.ch

Hochschule für Life Sciences (FHNW)
https://www.fhnw.ch/de/die-fhnw/hochschulen/lifesciences

Ein Team von Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftlern der Hochschule für Technik der FHNW, des Paul Scherrer Instituts und der Firma RadLab AG (Killwangen) entwickelt einen Prozess für die Funktionalisierung von Oberflächen mit Beschichtungen, die Fingerabdrücke abweisen können.

Neue Möglichkeiten
Es gibt heute zahlreiche Anwendungen, bei denen Oberflächen mit einer unter UV-Licht aushärtenden Formulierung beschichtet werden. Früher wurden dafür vor allem Quecksilberdampflampen verwendet. Heute werden diese vermehrt durch UV LED-Leuchten ersetzt. Beim Einsatz von LEDs kommt es aber häufig zu «klebrigen» Schichten, da die Oberfläche nicht komplett ausgehärtet werden kann. «Was eigentlich ein grosses Problem ist, bietet uns ganz neue Möglichkeiten, die Oberfläche zu funktionalisieren», bemerkt Dr. Sonja Neuhaus vom Institut für Nanotechnische Kunststoffanwendungen (INKA) der FHNW, die das Projekt leitet. «Die Oberfläche enthält noch reaktive Gruppen, die für die kovalente Anbindungen von funktionalen Molekülen verwendet werden können.»

Funktionalisierung der Oberfläche im zweiten Schritt
Im Rahmen eines vom Aargauer Forschungsfonds finanzierten Projekts hat das Team von Sonja Neuhaus zusammen mit RadLab einen neuen Prozess* entwickelt, bei dem in einem zweiten Beschichtungsschritt funktionale Komponenten auf die klebrige Schicht aufgetragen und dann mithilfe einer weiteren, kompletten UV-Härtung fest verankert werden.

Die funktionale Schicht kommt somit nicht in Kontakt mit dem ursprünglichen Substrat. Daher sind auch Funktionalisierungen möglich, die normalerweise an der Probe nicht oder nur schlecht haften würden – was ein entscheidender Vorteil der gewählten Methode ist!

Zahlreiche Anwendungen denkbar
Das Projektteam von ReLaFunAF wird nun gemeinsam untersuchen, wie sich unter Anwendung dieses Prinzips Oberflächen so behandeln lassen, dass selbst Fingerabdrücke darauf nicht haften.

Für dekorative Objekte wie auch in der Automobil- und Elektronikindustrie besteht ein grosser Bedarf für derartig geschützte Oberflächen. Es gibt zwar bereits verschiedene Ansätze für Fingerabdruck abweisende Eigenschaften. Viele von diesen sind allerdings nicht in grösserem Massstab einsetzbar.

Zunächst testen die Forschenden mit gezielter «chemischer» Strukturierung, welche Kombination von Eigenschaften – z.B. fettliebend und wasserliebend (lipophil und hydrophil) – notwendig ist, damit Fingerabdrücke nicht haften können. Anschliessend wird untersucht, inwieweit die Architektur des Netzwerks auf der Nanoebene einen Einfluss auf die abweisende Wirkung hat.

In der letzten Phase des Projekts werden Demonstratoren hergestellt, um die neu entwickelte Beschichtung den Kunden von RadLab zu präsentieren.

«Eine ständige Weiterentwicklung von Beschichtungsprozessen ist elementar für unseren Erfolg. Für dieses Nano-Argovia-Projekt haben wir das perfekte Team, um den ReLaFun-Prozess für eine spezifische Fragestellung erfolgreich weiterzuentwickeln.»
Dr. Anna Di Gianni, Technische Direktorin RadLab AG

Weitere Informationen:

RadLab AG
https://www.rahn-group.com/en/

Hochschule für Technik (FHNW)
https://www.fhnw.ch/de/die-fhnw/hochschulen/ht

Paul Scherrer Institut
https://www.psi.ch/en

Reduzierte Reibung
Siliziumoxid- und Tricalciumphoshat sind zugelassene Hilfsstoffe in Nahrungsmitteln. Sie werden in niedrigen Konzentrationen für das bessere Handhaben von pulvrigen Nahrungsmittelzusätzen eingesetzt. Sie bedecken die Oberfläche von Partikeln, reduzieren damit die Reibung zwischen den Partikeln und verbessern so die Fliessbarkeit des Materials. Diese Hilfsstoffe können technologisch bedingt zu einem gewissen Anteil kleinere Partikel (<100 Nanometer Durchmesser) enthalten. Die Akzeptanz für derartige Nanopartikel ist jedoch stark gesunken und Regulierungsbehörden entwickeln zurzeit neue Richtlinien für deren Verwendung und Nachweis in Lebensmitteln.

Beitrag zu neuen Standards
Die Firma DSM Nutritional Products AG (Kaiseraugst), die als Industriepartner an dem Nano-Argovia-Projekt SiNPFood beteiligt ist, möchte einen Beitrag zur besseren Charakterisierung von Nanopartikeln leisten. Diese ist erforderlich, um mit effizienten und zuverlässigen Nachweismethoden Nahrungsmittelzusätze auch im Nanobereich standardisiert untersuchen zu können.

DSM möchte mit einer neuen analytischen Methode für die Bestimmung und Quantifizierung von Siliziumoxid-Nanopartikeln (SiNPs) zur Entwicklung dieser neuen Standards und Regulierungen beitragen.
Mitarbeiter von DSM Nutritional Products bündeln ihre Expertise mit der von Kolleginnen und Kollegen der Hochschule für Life Sciences der FHNW und des Departements Chemie der Universität Basel. Unter der Leitung von Dr. Sina Saxer (FHNW) werden sie in den nächsten Monaten ihre Untersuchung vor allem mit Produktformulierungen durchführen, die für die Lebensmittelindustrie typisch sind.

Genaue Analyse der Produktion
Mithilfe verschiedener Charakterisierungsmethoden wird das Team Nanopartikel in den unterschiedlichen Produktionsschritten untersuchen. Zudem überprüfen sie die Effekte auf lebende Zellen und optimieren so wieder die Charakterisierung der Partikel. Aufgrund der in der Produktion anfallenden grossen Anzahl zu untersuchender Muster und einem kurzen zur Verfügung stehenden Zeitfenster favorisieren die Wissenschaftler einen möglichst automatisierten Prozess. Im Gegensatz zur chemischen Analytik sind solche Hochdurchsatz-Methoden in der «Nanoanalytik» jedoch noch nicht etabliert.

Eine weitere Herausforderung ist die Vorbereitung der Proben zur Analyse, bei der sich die SiNPs nicht verändern dürfen. Die Wissenschaftler werden typische SiNP-Zusätze vollumfänglich mit verschiedenen physikalischen und chemischen Methoden charakterisieren – bevor und nachdem sie diese mit komplexen Mischungen vermengt werden, die als Model für verschiedene Nahrungsmittel dienen sollen. Das interdisziplinäre Team evaluiert dann, wie sich mit den unterschiedlichen Methoden Grösse, Ladung, Verklumpung und Konzentration der SiNPs bestimmen lassen.

«Das Nano-Argovia-Projekt SiNPFood unterstützt DSM in seinen Anstrengungen, eine zuverlässige Methode zur Bestimmung von Nanopartikeln in Nahrungsmitteln zu entwickeln. Dies wird uns helfen, kontrollierte (oder zertifizierte) Nanopartikel-freie Produkte anbieten zu können.»
Dr. André Düsterloh, Principal Scientist bei DSM Nutritional Products AG

Weitere Informationen:

DSM Nutritional Products
https://www.dsm.com/corporate/about/businesses/dsm-nutritional-products.html

Hochschule für Life Sciences (FHNW)
https://www.fhnw.ch/de/die-fhnw/hochschulen/lifesciences

Departement Chemie, Universität Basel
https://chemie.unibas.ch/de/home/

Im Nano-Argovia-Projekt TiSpikes untersucht ein interdisziplinäres Team, wie mit einer Nanostruktur das Wachstum von Bakterien und die Bildung von Biofilmen auf Titanimplantaten verhindert werden kann. Forschende der Departemente Physik und Zahnmedizin der Universität Basel arbeiten dabei eng zusammen mit der Hochschule für Life Sciences der FHNW sowie dem Institut Straumann AG (Basel). Dr. Laurent Marot und Dr. Khaled Mukaddam (beide Universität Basel) leiten das Projekt.

Ausbildung von Biofilmen vermeiden
Bakterien sind überall – auch in und auf dem menschlichen Körper. Zu einem Grossteil sind diese Bakterien nützlich, in einigen Fällen bereiten sie jedoch Probleme – beispielsweise auf Implantaten. Bakterien können daran haften und Biofilme bilden. Es kommt zu Entzündungen, die zum Verlust des Implantats führen können.

Das Bakterienwachstum lässt sich teilweise durch Antibiotika eindämmen. Es kommt aber immer häufiger zur Ausbildung von Resistenzen und wenn sich erst einmal ein Biofilm gebildet hat, nützen selbst wirksame Antibiotika oft nichts mehr, da nur die äussere Bakterienschicht damit in Kontakt kommt. Es wäre also wünschenswert, eine Lösung zu finden, die gleich beim Einsetzen des Implantats die Besiedlung von Bakterien verhindert.

Von der Natur lernen
In der Natur gibt es einige Beispiele wie Oberflächen ohne Antibiotika keimfrei bleiben können. So weist die Flügeloberfläche der Zikade eine Vielzahl von winzigen Säulchen auf und auch die Haut eines Geckos besitzt Nanostrukturen, die verhindern, dass sich Biofilme darauf bilden können. Es liegt nahe, auch die Oberflächen von Implantaten so zu strukturieren, dass Bakterien darauf nicht wachsen und Biofilmen bilden.

Im Fokus stehen im Nano-Argovia-Projekt TiSpikes Oberflächen aus Titan und Titanlegierungen, die bereits für Implantate verwendet werden. Im Departement Physik der Universität Basel wurde ein Prozess entwickelt, mit dem die Oberflächen der Legierungen auf unterschiedliche Art und Weise strukturiert werden können.
Nun untersuchen die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, welche Strukturen Bakterien verschiedener Grösse möglichst effektiv hemmen. Sie wenden dazu verschiedene mikroskopische Methoden an. Unter anderem wird mittels Rasterkraftmikroskopie untersucht, welche Adhäsionskräfte zwischen Bakterium und den unterschiedlichen Oberflächen existieren.

Gute Basis für Gewebezellen
Die ideale Nanostruktur – insbesondere auf Zahn-implantat-Oberflächen – soll aber nicht nur das Wachstum von Bakterien verhindern, sondern auch ermöglichen, dass Zellen des umliegenden Gewebes besonders gut daran haften. Die Forschenden erwarten, dass auch dadurch die Besiedlung mit Bakterien in dem Raum zwischen Implantat und Gewebe reduziert werden kann und Entzündungen damit vermieden werden können.

«Wir freuen uns auf dieses Projekt, bei dem Partner mit ganz unterschiedlicher Expertise zusammenkommen. Wir planen die strukturierten Implantat-Oberflächen in vivo für die präklinische Evaluation zu testen, mit dem klaren Ziel, unseren Kunden die bestmöglichen Lösungen anbieten zu können.»
Dr. Raphael Wagner, Leiter Surfaces Research, Institut Straumann AG

Weitere Informationen:

Institut Straumann AG
https://www.straumann.com

Universität Basel
https://www.unibas.ch/de

Hochschule für Life Sciences (FHNW)
https://www.fhnw.ch/de/die-fhnw/hochschulen/lifesciences