Argovia-Projekte 2024
Die folgenden Projekte starteten 2024 neu.
PROJEKT | PROJEKTLEITER:INNEN | PROJEKTPARTNER:INNEN |
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19.01 BatCoat - Development of functional nano-layers for Gen 4 anode-less all-solidstate batteries | Dr. Mario El Kazzi | Prof. Dr. Kaspar Löffel |
19.03 HiZfEM - High-Z sensors for electron-microscopy | Dr. Dominic Greiffenberg | Prof. Dr. Jan Pieter Abrahams |
19.05 NANOdePET - Nanobiocatalysts for Sustainable PET Recycling Solutions | Prof. Dr. Patrick Shahgaldian | Prof. Dr. Markus Grob |
19.07 ProtEDinNanoxtals - Advancing Electron Diffraction: Unveiling Hydrogen's Role in Protein-Ligand Interactions through Protein Nanocrystals | Dr. Valérie Panneels | Prof. Dr. Jan Pieter Abrahams |
19.11 ZIRYT - Nano-structuring ZIRconia by YTtria-doping and heat-treatment to influence cell response | PD Dr. Nadja Rohr | Prof. Dr. Michael de Wild |
19.01 BatCoat: Auf dem Weg zu besseren und sichereren Lithiumbatterien
Im Nano-Argovia-Projekt BatCoat untersuchen Forschende Lösungen für die nächste Generation von Lithium-Metall-Festkörperbatteriezellen, die eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Lithium-Ionen-Batteriezellen darstellen. Li-Metall-Festkörperbatteriezellen besitzen eine höhere Energiedichte und sind sicherer als die heute beispielsweise in Elektroautos verwendeten Lithium-Ionen-Batterien. Sie könnten also entscheidend zu einer effektiven, sicheren und nachhaltigen Elektromobilität beitragen. Zurzeit gibt es jedoch noch einige technische Beschränkungen, die das interdisziplinäre Team im Nano-Argovia-Projekt BatCoat angehen wird.
Bessere Sicherheit und Stabilität
Bei den untersuchten neuen Li-Metall-Festkörperbatteriezellen besteht die negativ geladene Elektrode (Anode) nicht aus Graphit/Silizium wie bei Lithium-Ionen-Batteriezellen, sondern aus dreidimensionalem Kupfer, auf dem funktionale Schichten abgeschieden werden. Die funktionalen nanoskaligen Schichten tragen dazu bei, Lithium als einzige Quelle in der Kathode gleichmässig und reversibel abzuscheiden und abzustreifen. Ein entscheidender Unterschied zu Lithium-Ionen-Batterien ist auch, dass die Festkörperbatteriezellen einen Elektrolyten aus einem festen Lithium-Ionen-leitenden Material besitzen – was zu einer besseren Sicherheit und Stabilität führen kann.
Bevor zuverlässige Li-Metall-Festkörperbatteriezellen realisiert werden können, gibt es noch einige technische Hürden zu überwinden und genau hier setzt das Nano-Argovia-Projekt BatCoat an. Die Forschenden um Projektleiter Dr. Mario El Kazzi vom Paul Scherrer Institut PSI untersuchen, wie sich Lithium auf einer Kupferoberfläche homogen abscheiden lässt und mehr als 500 Ladungs- und Entladungszyklen mit einer weiterhin hohen Kapazität überdauert, ohne dass es dabei zu Reaktionen von Lithium mit dem festen Elektrolyten kommt. Sie hoffen dies zu erreichen, indem sie sehr dünne Schichten aus unterschiedlichen Materialien (< 100 Nanometer) auf der Kupferoberfläche aufbringen.
Daneben untersuchen die Forschenden in Zusammenarbeit mit Prof. Dr. Kaspar Löffel (FHNW) auch die Vorteile von 3D-Kupfer, um die Bildung von Lithium-Dendriten auf der Anode abzuschwächen, da diese verschiedene negative Auswirkungen auf die Batterieleistung und -sicherheit haben können. Abschliessend werden die Forschenden ein Konzept erstellen, wie sich die nano-
skaligen Funktionsschichten auf dreidimensionalem Kupfer im industriellen Massstab herstellen lassen.
Kooperation von:
Paul Scherrer Institut PSI // Hochschule für Technik der Fachhochschule Nordwestschweiz // Oerlikon Metco AG (Wohlen, AG)
«Das Projekt ermöglicht uns den Einstieg in die Wertschöpfungskette der Gen 3- und Gen 4-Lithium-Metall-Zelltechnologie mit einem starken Alleinstellungsmerkmal.»
Dr. Phani Kumar Yalamanchili, Oerlikon Metco AG
19.03 HiZfEM – Mit neuem Detektor zu besseren elektronenmikroskopischen Bildern
Forschende im Nano-Argovia-Projekt HiZfEM planen einen neuen Elektronendetektor mit verbesserter Bildqualität für die Transmissions-Elektronenmikroskopie zu entwickeln. Das interdisziplinäre Team mit Forschenden des Paul Scherrer Instituts PSI, der Universität Basel und des Firmenpartners DECTRIS AG nutzt dabei die Erfahrung, die es bereits bei der Entwicklung anderer Hybrid-Pixeldetektoren für die Forschung mit Photonen gewonnen hat. Im 2021 gestarteten Nano-Argovia-Projekt Nanocompass hat das interdisziplinäre Team um Projektleiter Professor Dr. Joris Pascal (Hochschule für Life Sciences FHNW) bereits erfolgreich gezeigt, dass sich nanoskalige magnetische Tunnelkontakte ideal als Messgeräte für Magnetfelder eignen.
Verbesserungen sind möglich
In der Transmissions-Elektronenmikroskopie werden heutzutage zumeist sogenannte CMOS-Detektoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) eingesetzt. Sie basieren auf dem Halbleitermaterial Silizium und bestehen aus einem 2-dimensionalen Array von lichtempfindlichen Pixeln, die zusammen mit der Signalverarbeitungselektronik auf einem einzigen Siliziumchip integriert sind. Demgegenüber bestehen Hybrid-Pixeldetektoren aus zwei separaten Schichten, in denen die Detektorschicht vom Auslesechip getrennt ist. Aktuell werden relativ dicke Siliziumsensoren als Detektorschicht mit Hybrid-Pixeldetektoren in der Elektronenmikroskopie verwendet, um die ausgeklügelte Ausleseelektronik von den einfallenden hochenergetischen Elektronen zu schützen. Jedoch limitieren diese dicken Siliziumsensoren auch die Bildgebungsqualität durch Mehrfachstreuung im Sensor.
Der entscheidende Vorteil von Hybrid-Pixeldetektoren gegenüber CMOS-Detektoren besteht in der Möglichkeit andere Sensormaterialien als Silizium zu benutzen, um die Detektionsfähigkeiten zu verbessern. Durch den Einsatz von Sensormaterialien mit einer höheren Elektronendichte sollte sich die Bildschärfe deutlich steigern lassen wie Simulationen und experimentelle Studien gezeigt haben.
Anderes Detektormaterial
In dem Nano-Argovia-Projekt HiZfEM planen die Forschenden um Projektleiter Dr. Dominic Greiffenberg vom Paul Scherrer Institut PSI als Detektormaterial in einem Hybrid-Pixeldetektor anstelle von Silizium mit Chrom dotiertes Galliumarsenid (GaAs) zu verwenden und in einem bestimmten Elektronenenergiebereich die Vorteile im Vergleich zu CMOS-Detektoren zu quantifizieren.
Die Firma DECTRIS, einer der führenden Hersteller von Hybrid-Pixeldetektoren weltweit, stellt für die Untersuchungen das neuartige Sensormaterial bestehend aus mit Chrom dotiertem GaAs zur Verfügung. Die beteiligten Forschenden sind optimistisch, dass sie durch den Einsatz des schwereren Sensormaterials eine Verbesserung der Datenqualität auch bei der Transmissions-Elektronenmikroskopie erreichen können.
Kooperation von:
Paul Scherrer Institut PSI // Biozentrum, Universität Basel // DECTRIS AG (Baden, AG)
«Wir sind begeistert am HiZfEM-Projekt mitzuarbeiten, in dem unser hochentwickeltes GaAs-Material eine entscheidende Rolle spielen wird, um die Grenzen in der Elektronenmikroskopie zu verschieben. Diese Zusammenarbeit mit geschätzten Institutionen wie dem Paul Scherrer Institut und der Universität Basel unterstreicht unser Bekenntnis wissenschaftlichen Fortschritt voranzutreiben und stärkt unsere Position an der Spitze der Entwicklung von Hybrid-Pixeldetektoren.»
Dr. Sonia Fernandez, DECTRIS AG
19.05 NANOdePET – Mit Enzymen gegen Plastikmüll
Im Nano-Argovia-Projekt NANOdePET entwickelt ein interdisziplinäres Team eine nachhaltige Methode, um den enzymatischen Abbau des Kunststoffs PET (Polyethylenterephthalat) zu ermöglichen. Mithilfe der Nanotechnologie entwickeln die an dem Projekt beteiligten Forschenden supramolekulare Enzyme, um sie mit einer effizienten PET-Abbaukapazität auszustatten. In der zweiten Phase des Projekts prüfen sie Möglichkeiten für Anwendungen im industriellen Massstab.
Nachhaltige Recylingmethoden sind gefragt
Weltweit werden pro Jahr mehr als 55 Millionen Tonnen des Kunststoffs Polyethylenterephthalat (PET) produziert und auch in Zukunft wird die Menge weiter steigen. Die Hauptanwendungsgebiete sind Verpackungen (Flaschen und Filme) sowie Stoffe und Textilien. Um die Belastung der Umwelt nicht kontinuierlich zu vergrössern, sind innovative Massnahmen dringend erforderlich, welche die Wiederverwendung des vielfältig einsetzbaren Kunststoffs ermöglichen. In Industrieländern werden heute dazu vor allem mechanische Methoden mit anschliessendem Schmelzen und der Wiederverwendung des Materials angewendet. Allerdings entstehen dabei schädliche Abbauprodukte und nur eine limitierte Anzahl von Zyklen können durchlaufen werden, da die Qualität des Materials mit jedem Zyklus abnimmt.
Bisher entwickelte alternative chemische Methoden, die es ermöglichen, die Bausteine wieder zu hochqualitativem PET zu verarbeiten, sind energie- und kostenintensiv sowie mit schädlichen Abfällen verbunden. Eine Lösung wäre der enzymatische Abbau von PET. Die bisher bekannten PET-abbauenden Enzyme sind jedoch thermisch wenig stabil und ihr Einsatz kostspielig.
Modifizierte Enzyme mit verbesserten Eigenschaften
Ein Team mit Forschenden von der Hochschule für Life Sciences und der Hochschule für Technik der FHNW hat zusammen mit dem Startup INOFEA nun zum Ziel eine nachhaltige, auf enzymatischer Hydrolyse basierende Abbaumethode für PET zu entwickeln. Die Forschenden um Projektleiter Prof. Dr. Patrick Shaghaldian nutzen dabei eine von INOFEA entwickelte Plattform, um die direkte Umgebung von PET-aufspaltenden Enzymen (Esterhydrolasen) so zu verändern, dass sie eine höhere Stabilität und Umsetzungsrate besitzen als lösliche Enzyme.
Dabei werden natürliche Enzyme mit nanotechnologischen Methoden auf einem Siliziumdioxidkern immobilisiert und mithilfe von sogenannten künstlichen Chaperonen stabilisiert. Eine Hülle aus organischem Siliziumdioxid von kontrollierter Dicke schützt die eingesetzten Enzyme vor äusseren Einflüssen, erlaubt aber die enzymatische Aufspaltung von PET.
Die Forschenden werden zunächst geeignete Enzyme testen und verschiedene Nanosysteme herstellen. Diese werden dann für den PET-Abbau getestet und ein Recyclingprozess im Labormassstab etabliert. Das Team wird anschliessend die Ergebnisse mit den heutzutage angewendeten Recyclingmethoden vergleichen und prüfen, ob sich die Methode für das Recycling von PET im industriellen Massstab eignet.
Kollaboration von:
Hochschule für Life Sciences, Hochschule für Technik, Fachhochschule Nordwestschweiz FHNW und INOFEA AG
«Diese vom SNI finanziell unterstützte Zusammenarbeit mit der FHNW bietet INOFEA die Möglichkeit, sein Portfolio an nanotechnologischen Enzymen zu erweitern und Umweltprobleme durch die Bereitstellung einer nachhaltigen Lösung für Kunststoffabfälle anzugehen. Wir erwartet durch das Projekt einen Wettbewerbsvorteil zu erlangen und die Marktnachfrage nach umweltfreundlichen Produkten zu decken.»
Dr. Rita Correro, INOFEA
Immobilisierte und stabilisierte natürliche Enzyme werden mit organischem Siliziumdioxid in kontrollierter Dicke beschichtet. Auf diese Weise sind die Enzyme vor äusseren Einflüssen geschützt, können aber trotzdem PET abbauen. Die Kolorisierung der Enzyme erfolgte nachträglich aus ästhetischen Gründen (Bild: S.A.Nazemi, FHNW).
19.07 ProtEDinNanoxtals – Protein-Nanokristalle – Strukturbestimmung von Proteinen auf atomarer Ebene durch Elektronenbeugung
Das Team im Nano-Argovia-Projekt ProtEDinNanoxtals hat zum Ziel, mithilfe der Elektronenbeugung die Rolle von Wasserstoffatomen für die Proteinfunktion und die Wechselwirkungen zwischen Proteinen und Liganden zu untersuchen. Die Forschenden erhalten damit Einblicke in die Struktur von Proteinen auf atomarer Ebene, lernen so lebenswichtige biologische Prozesse besser verstehen, und unterstützen damit die Medikamentenentwicklung.
Wasserstoff ist immer im Spiel
Wasserstoffatome spielen eine entscheidende Rolle bei der Struktur, Stabilität und Funktion von Proteinen – den Nanomaschinen, die das Leben und die Form unserer Zellen organisieren. Wasserstoffatome sind die leichtesten und häufigsten Atome auf unserem Planeten. Sie tragen zur Stabilisierung der dreidimensionalen Form der Proteine bei, indem sie beispielsweise über Wasserstoffbrückenbindungen mit anderen Atomen interagieren. Wasserstoffatome sind auch an der biologischen Funktion der Proteine beteiligt. Für die Entwicklung neuer pharmazeutischer Wirkstoffe ist daher die Kenntnis der Wasserstoffkoordinaten im aktiven Zentrum der Proteinstruktur von grosser Bedeutung. Es ist jedoch eine Herausforderung für die Wissenschaftler:innen diese Kartierung der Wasserstoffatome vorzunehmen, da die bisher verwendeten konventionellen Methoden mit Einschränkungen verbunden sind.
Elektronenbeugung als Methode der Wahl
Das interdisziplinäre Team im Nano-Argovia-Projekt ProtEDinNanoxtals will nun mithilfe der Elektronenbeugung die Position von Wasserstoffatomen an den funktional aktiven Stellen in Proteinen untersuchen. Bei dieser Methode treffen beschleunigte Elektronen auf die Probe und werden durch Wechselwirkungen mit den Atomen der Tausenden von Proteinmolekülen, die symmetrisch im Nanokristallgitter angeordnet sind, gebeugt. Anhand des detektierten Beugungsmusters lässt sich dann die Position der Atome und damit der Moleküle in der Probe errechnen. In den letzten Jahren hat der enorme Fortschritt bei der Entwicklung von Elektronenbeugungsmessgeräten sowie in der Probenvorbereitung den Weg bereitet für den Einsatz an verschiedenen Proteinen.
Ein Expertenteam unter Leitung von Dr. Valérie Panneels (Paul Scherrer Institut) wird Modellproteine unterschiedlicher Grösse und Funktion untersuchen. Bei diesen Proteinen handelt es sich um Photosensoren, die in der Dunkelheit inaktiv sind und deren Grundzustand bekannt ist. Zunächst vermessen die Forschenden mit einem Elektronenmikroskop und einem horizontalen Elektronendiffraktometer eine kleine Domäne (LOV-1 für Light-Oxygen-Voltage-sensing domain), die von Prokaryoten bis zu Eukaryoten für die Regulierung verschiedener Funktionen durch Lichtwahrnehmung verantwortlich ist. Parallel dazu messen und analysieren die Forschenden Rhodopsin, ein grösseres Protein, das für den Prozess des Sehens verantwortlich ist. Im Anschluss an die Analysen mit den bekannten Modellproteinen wird das Team Nanokristalle von weiteren Membranproteinen untersuchen, die von pharmazeutischem Interesse sind. Die Qualität der Daten wird dabei von der perfekten Ordnung der Proteinkristalle abhängen, da sehr dünne, nanometergrosse Kristalle erforderlich sind, um Mehrfachstreuungen zu reduzieren.
Mit dem Projekt möchte das Forscherteam die Vorteile der Elektronenbeugung in Ergänzung zu anderen strukturbiologischen Techniken herausstellen und die Methode durch Anwendung auf Membranproteine verbessern – um so neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung von Proteinen mit ihren funktionellen Liganden zu gewinnen. Die Methode ermöglicht eine Auflösung auf atomarer Ebene bis hin zur Information über die Positionen der Wasserstoffatome. Das Projekt wird somit wesentlich dazu beitragen, die Wirkungsmechanismen potenzieller pharmazeutischer Wirkstoffe aufzudecken. Schliesslich werden die Forscher die erzeugten Strukturen in entsprechende Datenbanken einfügen, in denen die durch Elektronenbeugung gewonnenen Strukturen derzeit deutlich unterrepräsentiert sind.
Kooperation von:
Paul Scherrer Institut // Biozentrum Universität Basel // LeadXpro AG // ELDICO Scientific AG
«leadXpro hat sich auf strukturbasiertes Design an Membranproteinen zur Entdeckung von Wirkstoffen für Medikamente spezialisiert und Strukturen werden mit Röntgenkristallographie oder Kryo-EM bestimmt. Elektronenbeugung könnte sowohl als wichtige ergänzende Methode für Nano-Kristalle als auch für die Analyse von Wasserstoffatomen verwendet werden.»
Dr. Michael Hennig, leadXpro
«ELDICO Scientific war das erste Unternehmen, das kommerziell verfügbare Geräte für die Elektronenbeugungskristallographie hergestellt hat. Darüber hinaus entwickeln wir über das Applikationszentrum in Basel die Methode ständig weiter und bieten Elektronendiffraktometrie (ED) oft auch als Dienstleistung für Kunden aus der Pharmaindustrie an. In dem Projekt wird ELDICO gemeinsam mit seinen Partnern dazu beitragen, die Einsatzmöglichkeiten der ED auf Proteine – insbesondere anspruchsvolle Membranproteine – zu erweitern.»
Dr. Gunther Steinfeld, ELDICO Scientific AG
ZIRYT – Auf dem Weg zu nanostrukturierten Zahnimplantaten aus Zirkoniumdioxid
Im Nano-Argovia-Projekt ZIRYT untersucht ein interdisziplinäres Team, wie sich mithilfe einer nanostrukturierten Oberfläche Zahnimplantate aus Zirkoniumdioxid herstellen lassen, die eine ästhetische und metallfreie Alternative zu Titanimplantaten bieten.
Alternative gesucht
Beim Ersatz von Zähnen haben sich vor allem Implantate aus Titan etabliert. Da Patient:innen jedoch immer häufiger ästetischere und metallfreie Lösungen wünschen, sind Forschende auf der Suche nach geeigneten Alternativen. Das Team um die Projektleiterin PD Dr. Nadja Rohr (Universitäres Zentrum für Zahnmedizin Basel UZB, Universität Basel) sieht bei Zirkoniumdioxid grosses Potenzial, vermehrt als Ersatz für Titan eingesetzt zu werden. Zusammen mit Prof. Dr. Géraldine Guex (UZB) und den Projektpartnern Prof. Dr. Michael de Wild (IM2, FHNW) und Dr. Raphael Wagner (Institut Straumann AG) erarbeitet sie nun die Grundlagen, um die Oberfläche von Zirkoniumdioxid-Implantaten weiter optimieren zu können.
Zurzeit wird bei Zirkoniumdioxid-Implantaten die Oberfläche des im Kiefer verankerten Implantatteils in einem aufwendigen Prozess sandgestrahlt und mit Säuren geätzt, um eine geeignete Mikrostruktur der Oberfläche zu schaffen, die das Einwachsen von Knochenzellen unterstützt. Im Nano-Argovia-Projekt ZIRYT arbeiten die Forschenden nun daran, allein durch eine gezielte Wärmebehandlung eine nanostrukturierte Oberfläche herzustellen. Dies ist möglich, da Zirkoniumdioxid unter Wärmeinwirkung an der Oberfläche wieder Kristalle bildet, die für die Nanostruktur sorgen.
Nanostruktur mit idealen Eigenschaften
Das Nano-Argovia-Projekt ZIRYT hat zum Ziel, festzustellen wie sich die Nanostrukturierung der Zirkoniumdioxid-Oberfläche in vitro auf die Integration von Knochengewebe auswirkt. Dabei untersuchen die Forschenden den Einfluss unterschiedlicher Ausgangsmaterialien und Wärmebehandlungen auf die Kristallstruktur und damit auf die Oberflächentopographie. Anhand modernster Analysemethoden und in verschiedenen Zellkulturmodellen beurteilen die Forschenden die Interaktion des Implantatmaterials mit dem Gewebe.
Sie werden so die ideale Oberflächenstruktur ermitteln und die Herstellungsbedingungen dafür klar definieren. Auf diese Weise trägt das Projekt dazu bei, die Herstellung der nächsten Generation von Zahnimplantaten aus Zirkoniumdioxid zu erleichtern, damit möglichst viele Patient:innen davon profitieren können.
Kooperation von:
Universitäres Zentrum für Zahnmedizin Basel, UZB der Universität Basel // IM2, Hochschule für Life Sciences FHNW // Institut Straumann AG (Basel)
«Wir sind der Überzeugung, dass Zahnimplantate auf Zirkonoxid-basis in den nächsten Jahren einen bedeutenden Marktanteil erlangen können. Aus diesem Grund sind wir besonders an den Resultaten des ZIRYT-Projekts interessiert, welches das Potenzial besitzt, sowohl die Komplexität des Herstellungsprozesses als auch die klinischen Ergebnisse unserer Produkte zu optimieren – zum Nutzen der Patient:innen. Unsere langjährige und erfolgreiche Kooperation mit dem UZB, der Universität Basel und der FHNW bestärkt uns darin, diese Zentren der Kompetenz in ihrer exzellenten Forschungsarbeit weiterhin zu unterstützen.»
Dr. Raphael Wagner, Institut Straumann AG (Basel)