Etikettarkiv: LiU

Organisk elektronik med sikte på bot av svåra sjukdomar

Hanne Biesmans, doktorand, Jennifer Gerasimov, förste forskningsingenjör, och Xenofon Strakosas, postdoktor, på Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet. Foto: Peter Holgersson
Hanne Biesmans, doktorand, Jennifer Gerasimov, förste forskningsingenjör, och Xenofon Strakosas, postdoktor, på Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet. Foto: Peter Holgersson

I Linköping arbetar en tvärvetenskaplig forskargrupp i gränslandet mellan elektronik och biokemi. Med hjälp av organiska elektronikkomponenter som formas inne i kroppen och blir ett med nervsystemet hoppas man kunna bidra till effektivare behandling av neurodegenerativa sjukdomar.

En gemensam nämnare för epilepsi, Parkinsons och Alzheimers sjukdom är att samtliga orsakas av att nervcellerna i hjärnan eller ryggmärgen bryts ner eller är överaktiva. När det händer drabbas såväl de kemiska som de elektriska signalerna i nervsystemet. Men dagens behandlingar är med få undantag läkemedelsbaserade. Och det är här som professor Magnus Berggren, och hans forskargrupp på Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet, bestämt sig för att göra skillnad. Genom att koppla ihop kemiska läkemedel med organisk elektronik hoppas gruppen kunna utveckla nya behandlingsalternativ för sjukdomar där nervsystemet successivt förtvinar.
– Grundidén är att inte enbart fokusera på läkemedel utan även på elektronik, för att på så vis modellera de elektroniska funktionerna i hjärnan. Kombinationen öppnar nya möjligheter som tidigare inte har studerats inom detta fält, säger Jennifer Gerasimov, förste forskningsingenjör.

Utmaning
För att nå dit försöker forskarna utveckla elektroniska system som man tillverkar på plats, inne i hjärnan. Komponenterna, i form av finfördelade elektroder och molekyler, injiceras och sedan hjälper metabolismen till att sömlöst integrera komponenterna så att de blir en naturlig del av kroppens nervsystem. Elektroniken kan sedan stimuleras från ”utsidan” för att motverka nedbrytningen av nervceller eller hindra dem från att bli överaktiva.
Projektet har redan kommit en bit på väg.
– Vi har lyckats i olika former av laboratoriemodeller och även genomfört toxicitetsstudier som visar få sidoeffekter så här långt. Nästa steg är att utveckla elektroniska modeller som kan användas för att stimulera våra komponenter, säger Xenofon Strakosas, postdoktor.
Den stora utmaningen för hela projektet är att få till själva gränssnittet, alltså bryggan mellan de kemiska medicinerna och den organiska elektroniken.
– Vi måste hitta ett sätt att översätta signalerna och manipulera apparaterna på utsidan för att få till den läkande effekt som vi vill uppnå inne i hjärnan.

Klicka här för att läsa mer om Laboratoriet för Organisk Elektronik

Materialutveckling
Hanne Biesmans, doktorand, påpekar att elektronik som behandlingsform inte är något nytt. Pacemakers har funnits länge, ett annat exempel är användningen av elektroder för att mildra skakningar vid Parkinsons.
– Ett av våra mål är att låta elektroniken bli en naturlig del av nervsystemet. Idag när man placerar elektronik inne i kroppen är problemet att immunförsvaret attackerar apparaturen så att den på sikt inte längre fungerar. Vi vill utveckla ett mjukt och dynamiskt material som blir en del av hjärnan i stället för att ligga och skava bredvid. På så vis undviker man också immunsystemets attack.

Flera fördelar
En annan fördel med ett mjukt material som integreras i hjärnan är att behandlingen kan nå mer än bara en specifik punkt.
– Det pågår forskning inom många neurologiska sjukdomar där elektroder används för att stimulera nervbanorna. Vi vill gå ett steg längre och hjälpa hjärnan att reparera sig själv. I den bästa av världar skulle människor som mist sin minnesfunktionen på grund av att signaleringen till hjärnan gått förlorad, kunna återfå sitt minne, säger Hanne.
Xenofon fyller i att användningsområdet för gruppens organiska elektronik även kan omfatta exempelvis cancerområdet.
– Idag används elektroder för att döda tumörer i hjärnan, men det blir väldigt lokalt och det krävs många elektroder för att uppnå önskat resultat. Med vår teknik räcker det med ett ingrepp, sedan sköter hjärnan resten.

Framtid
Om och när gruppens forskning har nått fram till kliniskt bruk menar han är svårt att svara på.
– Om 15 år tror jag vi är där, men det lovande utfallet så här långt kan innebära att det går fortare än så.
Jennifer konstaterar att forskargruppen ännu befinner sig i början av en lång resa.
– Vi stöter ständigt på saker som leder in på helt nya vägar, forskningens ständiga tjusning och förbannelse.

Linköpings universitet – Neuroengineering

Projektet e-NeuroFarmakologi fokuserar på organisk elektronik som tillverkas direkt inne i nervsystemet. Den tvärvetenskapliga forskargruppen består av samlad kompetens från bioelektronik, materialvetenskap, elektronik och medicin i en ambition att åstadkomma framtida metoder för behandling av neurologiska sjukdomar. Forskningsledare är professor Magnus Berggren, Laboratoriet för organisk elektronik vid Linköpings universitet.

www.liu.se

Utvecklar beslutsstöd för djup hjärnstimulering

Teresa Nordin och Dorian Vogel, doktorander på institutionen för medicinsk teknik vid Linköpings universitet. Foto: Lasse Hejdenberg
Teresa Nordin och Dorian Vogel, doktorander på institutionen för medicinsk teknik vid Linköpings universitet. Foto: Lasse Hejdenberg

– Vi vill utveckla ett beslutsstöd som med hjälp av Big Data kan peka ut vilket område i hjärnan som bör stimuleras vid behandling av Parkinsons och andra rörelsesjukdomar, säger Karin Wårdell, professor på institutionen för medicinsk teknik vid Linköpings universitet.

Djup hjärnstimulering, DBS, är en form av hjärnkirurgi där en tunn elektrod placeras djupt inne i hjärnan. Metoden är en viktig terapi för rörelsestörningar som Parkinsons sjukdom och essentiell tremor. För behandlande läkare är vägen fram till operation kantad av en rad överväganden och beslut som ska grundas på stora mängder data i form av bland annat bilder av den aktuella patientens hjärna, bilder från redan behandlade patienters hjärnor samt från tidigare behandlingar och behandlingsresultat.
I projektet Djup hjärnstimulering: dataanalys för kliniskt stöd är syftet att föra samman alla multiparametriska DBS-data för kliniskt stöd.
– Vi vill skapa ett intuitivt visualiseringsverktyg som underlättar den kirurgiska planeringen och uppföljningen av DBS. En slags atlas över hjärnan som på statistiska grunder kan tala om vilket område av hjärnan som bör stimuleras, och inte bör stimuleras, för att skapa så god effekt som möjligt hos varje enskild patient, förklarar professor Karin Wårdell, forskningsledare.
Atlasen bygger på patientdata som dels inhämtats under operationer vid kliniker i Sverige och Frankrike, dels på att data samlats in under många år i samarbete med forskare vid Karolinska universitetssjukhuset och Umeå universitetssjukhus.
– Genom att föra samman all data från de olika patienterna vill vi identifiera det område i hjärnan som är bäst att stimulera vid olika sjukdomar, säger vice forskningsledare Simone Hemm-Ode, professor vid University of Applied Sciences and Art Northwestern Switzerland.

Appar
Projektet har redan kommit en bra bit på väg.
– Vi har utvecklat två testappar där man kan skapa en hjärnmodell och sedan föra in alla aktuella patientdata i simuleringskonceptet. Det vi jobbar på nu är DBviS, Deep Brain Visualisation. Här kommer vi att samla all information från våra studier och där kan användare jämföra våra resultat med sina egna simuleringar. Det övergripande målet med projektet är dels att få fram ett verktyg för kliniskt beslutsstöd vid DBS, dels att förstå mer om mekanismerna bakom sjukdomarna, avslutar Karin Wårdell.

Linköpings universitet – Big Data

Projektet ”Djup hjärnstimulering: dataanalys för kliniskt stöd” stöds med 21 miljoner kronor av SSF. Även neurokirurgiska kliniken i Linköping, Harvard Medical School samt DBS-enheterna i Umeå, Clermont-Ferrand och London deltar i projektet.

liu.se/en/research/neuroengineering-lab

Kombination av tekniker ger nya möjligheter för neurokirurgi

Anders Tisell, adjungerad universitetslektor, Stina Mauritzon, doktorand, och Fredrik Ginstman, intensivvårdsläkare på Neurokirurgiska kliniken i Linköping. Foto: Lasse Hejdenberg
Anders Tisell, adjungerad universitetslektor, Stina Mauritzon, doktorand, och Fredrik Ginstman, intensivvårdsläkare på Neurokirurgiska kliniken i Linköping. Foto: Lasse Hejdenberg

– Vår forskning handlar om att kombinera fiberoptiska mätsystem med intraoperativ magnetisk resonanstomografi. Tillsammans skapar teknikerna nya möjligheter för behandling av neurokirurgiska sjukdomar, säger Karin Wårdell, professor i medicinsk teknik, vid Linköpings universitet.

Karin Wårdell leder Multimodal guidning vid neurokirurgi, ett spännande forskningsprojekt där en del är inriktad mot hjärntumörer. Genom att kombinera optik och olika MR-protokoll hoppas forskargruppen kunna bidra till en mer precis diagnos och säkrare behandling.
– Utmaningen vid kirurgisk behandling av hjärntumörer är att avlägsna så mycket tumörmassa som möjligt utan att skada omkringliggande vävnad. Den preoperativa MR-undersökningen säger oss var i hjärnan tumören är lokaliserad, problemet är att vävnader flyttar sig under operationens gång, förklarar Peter Zsigmond, neurokirurg och vice forskningsledare.
Därför finns ett stort behov av realtidsinformation under pågående operation.
– När det gäller optik har vi tagit fram olika prober som kan användas dels för optisk mätning, dels för guidning fram till målområdet under en hjärnbiopsi. Med proberna kan vi identifiera både områden med högre blodflöden och själva tumören. Rent praktiskt handlar det om att sammanföra olika kombinationer av prober med olika kombinationer av navigationssystem, som sedan länkas ihop till olika MR-protokoll, som sedan utgör ett så kallat ramlöst guidesystem, förklarar Karin Wårdell.
En stor fördel i sammanhanget är att neurokirurgiska kliniken i Linköping har en helt ny MR-kamera och ett nytt stort operationsrum som ligger vägg i vägg med varandra, vilket underlättar sammankopplingen av de olika teknikerna.

Klicka här för att läsa mer om forskningen

NIVA
Ett annat forskningsspår har fokus på neurointensivvård och de sekundära blödningar som kan uppstå efter några dagar efter operation och orsaka svåra komplikationer.
– Det finns redan olika tekniker för patientmonitorering i syfte att upptäcka sekundära komplikationer. Vårt bidrag blir att mäta blodflödet med ljus, vilket i kombination med MR-undersökning kan ge mycket tidig upptäckt av förändrat blodflöde i hjärnan, säger Karin Wårdell.
Forskargruppen har tagit fram en speciell prob som utvecklats för att kunna göra just långtidsmätningar av blodflödet i hjärnan.
– Vi kan idag mäta i upp till tio dygn, förmodligen längre. Nu handlar det om att försöka förstå signalen bättre och lära oss skilja på vad som är rörelse på grund av till exempel ryck i sladdarna och vad som är signal. Här har vi kommit en bra bit på väg och har idag en artefaktfri signal under mer än 95 procent av tiden vilket är väldigt lovande, säger Karin Wårdell.

Elisabeth Klint är doktorand vid institutionen för medicinsk teknik, Linköpings universitet. Foto: Lasse Hejdenberg
Elisabeth Klint är doktorand vid institutionen för medicinsk teknik, Linköpings universitet. Foto: Lasse Hejdenberg

Halvvägs
Det övergripande projektet som nu kommit halvvägs har bland annat resulterat i ett avknoppningsföretag.
– Vi hoppas kunna föra ut vår kombinerade mätteknik till fler användare eftersom vi ser att den fungerar väldigt bra vid biopsitagning och även i kombination med blåljusmikroskop, säger Karin Wårdell.
Peter Zsigmond påpekar att fördelarna är flera.
– Tekniken kan leda till stor patientnytta eftersom den visuella guidningen i realtid under operationen gör att vi kan operera bort så mycket som möjligt av en tumör utan att skada intilliggande vävnad. Även biopsitagningen blir säkrare samtidigt som den exakta guidningen under ingreppet spar operationstid.
Om tio år, om allt går som forskargruppen vill och hoppas på, kommer deras metod att finnas tillgänglig för användning på landets neurokirurgiska kliniker.
– Vi har fått tekniken att fungera men än så länge finns det mycket kvar att försöka förstå. Nu handlar det om att verifiera, samla in data och tolka signalerna rätt. På sikt hoppas vi kunna bidra till att rädda liv, minska skadorna av sekundära blödningar och bidra till bättre livskvalitet för drabbade patienter, avslutar Karin Wårdell.

Klicka här för att läsa mer om forskningen

Linköpings universitet – e-NeuroFarmakologi

Multimodal guidning vid neurokirurgi är ett SSF Med-X-projekt där intraoperativ magnetisk resonanstomografi (iMRT) och olika optiska metoder används tillsammans i syfte att bekämpa olika neurokirurgiska sjukdomstillstånd som hjärntumörer och hjärntrauma.

liu.se/en/research/neuroengineering-lab

Grafenforskning i absolut framkant

Sergey Kubatkin, professor, Tomas Löfwander, biträdande professor och Samuel Lara Avila, forskare på Institutionen för mikroteknologi  och nanovetenskap på Chalmers. Foto: Lisa Jabar  / AnnalisaFoto
Sergey Kubatkin, professor, Tomas Löfwander, biträdande professor och Samuel Lara Avila, forskare på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers. Foto: Lisa Jabar / AnnalisaFoto

Ända sedan utforskandet av grafen belönades med Nobelpriset 2010 har materialet rönt stor uppmärksamhet. Men forskare på Chalmers och Linköpings universitet har mycket längre tillbaka än så utvecklat grafenliknande material med unika egenskaper.

Grafen är ett tvådimensionellt material, som består av ett enda lager av kol­atomer. Det är det tunnaste material vi känner till och har en rad spännande potentiella tillämpningar. Men traditionellt grafen har en del begränsningar, som exempelvis storleken, känslighet för vissa gaser samt brist på bandgap, som är nödvändigt för elektronik.
Ledande materialforskare på Chalmers och Linköpings universitet har under många år samverkat i SSF-finansierad forskning om grafenliknande material, som har egenskaper som möter dessa utmaningar. Tillsammans har forskarna byggt upp en unik holistisk forskningsmiljö, med expertis i den absoluta framkanten. Ett viktigt fokus för forskarna är att utveckla högren enkristallgrafen av halvledarmaterialet kiselkarbid (SiC) för metrologi (mätteknik), sensorer och elektronik.
– Möjliga tillämpningar är inom allt från medicinsk fysik till halvledarindustrin. En viktig egenskap hos det grafen vi fokuserar på i projektet är att kristallstrukturen är perfekt, berättar Tomas Löfwander, biträdande professor på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

Rositsa Yakimova, professor emerita på Institutionen för fysik, kemi och biologi på Linköpings universitet.
Rositsa Yakimova, professor emerita på Institutionen för fysik, kemi och biologi på Linköpings universitet.

Stabilt, robust och miljövänligt
Linköpings universitet är en pionjär när det gäller att odla den här typen av enkristallgrafen. Forskargruppen har ett grundmurat internationellt rykte och patenterad teknologi. Teknologin har stor potential att nyttiggöras i industrin.
– Vårt grafen kan odlas i såväl ett lager som med bufferlager och det begränsas bara av storleken på det underliggande substratet. Det är stabilt, robust, miljövänligt och kompatibelt med mikroelektronik utan att det behöver överflyttas. Dessutom utgör vårt grafen en utmärkt plattform för att odla andra tvådimensionella material och för att studera och utveckla sensorer, berättar Rositsa Yakimova, professor emerita på Institutionen för fysik, kemi och biologi på Linköpings universitet.
Ett viktigt område där grafen redan fått genomslag är inom kvantmetrologi. Grafen gör det möjligt att med extremt hög precision mäta resistans vilket gör det möjligt att kalibrera massa. 2019 introducerades det elektroniska kilogrammet, som innebär en ny definition av viktenheten.
– Det ger ett helt exakt mått, något som blir alltmer nödvändigt i avancerade elektroniska produkter och högteknologiska processer. Vår teknologi gör det möjligt att sprida och industrialisera denna typ av precisionsmetrologi. Det är användarvänligt, hållbart och mycket precist, förklarar Samuel Lara Avila, forskare på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers, samt ledare för Chalmers grafencentrum och Chalmers Vinnovastödda kompetenscentrum 2D-TECH.
Möjliga konsumentnära tillämpningar kan exempelvis vara för högkänsliga magnetfältsensorer som används i fordon, batterier och kraftledningsnät.

Detektorer för luft och vatten
På Linköpings universitet studerar Jens Eriksson, universitetslektor i tillämpad sensorteknik, och hans team hur SiC-baserad enkristallgrafen kan användas till sensorer för att detektera skadliga ämnen i luft och vatten, med särskild fokus på luft. Detta är angeläget – luftföroreningar beräknas ligga bakom sju miljoner förtida dödsfall globalt om året och belastar den globala välfärden med kostnader om 5 biljoner dollar per år. Forskargruppen utvecklar sensorer som är så känsliga att de kan upptäcka molekyler ned till miljarddelar i koncentration.
– Användning av enkristallgrafen för denna typ av sensorer har den stora fördelen att de är extremt känsliga samtidigt som de har en mycket låg brusnivå. Det gäller nu att skala upp och utveckla en plattform för att bredda forskningen, exempelvis för medicinsk diagnostik. Där skulle sådana sensorer kunna detektera biomarkörer för sjukdom i exempelvis utandningsluft och blod, berättar han.

Samverkan avgörande
Den nära, tvärdisciplinära samverkan mellan Chalmers och Linköpings universitet har varit avgörande för att nå så långt i forskningen.
– Till en början fanns en viss skepsis mot vår teknologi från det mer traditionella grafenlägret. Det fanns en uppfattning om att traditionell grafen var det ”riktiga” grafenet. Men vi har visat att vår teknologi håller en mycket hög kvalitet och har enormt goda resultat och tillämpningar inom många områden. Det gör att vi nu kan utöka våra aktiviteter inom forskningen kring andra tvådimensionella material, med målsättningen att finna ytterligare industriella tillämpningar, avslutar Sergey Kubatkin, professor på Institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap på Chalmers.

Jens Eriksson, universitetslektor i tillämpad sensorteknik. Foto: IFM, Linköpings universitet
Jens Eriksson, universitetslektor i tillämpad sensorteknik. Foto: IFM, Linköpings universitet
Chalmers och linköpings universitet – Grafenforskning

De två SSF-finansierade projekten ”Epitaxiell grafen för metrologi, sensorer och elektronik”, koordinerat av Tomas Löfwander, samt ”Nya tvådimensionella system från tillväxt till tillämpningar”, koordinerat av Sergey Kubatkin, är exempel på den mångåriga forskningssamverkan inom grafenforskning som görs mellan Chalmers och Linköpings universitet. Forskningen ligger i den absoluta fronten och har resulterat i flera patent.

www.chalmers.se
www.liu.se
www.strategiska.se

Ny teknologi ger kunskap om flöden och turbulens

Tino Weinkauf, professor i visualisering vid KTH. Foto: Johan Marklund
Tino Weinkauf, professor i visualisering vid KTH. Foto: Johan Marklund

Att förstå turbulens och flödes­dynamik är en nyckel för forskning om energieffektiva fordon och klimat. Men simuleringar av dessa processer kräver ofta så stora mängder data att mer djuplodande analys omöjliggörs. Nu utvecklas ny teknologi för att analysera relevant data medan den bearbetas, in situ.

Bilar, flygplan och fartyg förlorar närmare hälften av sin totala energiförbrukning till turbulens i motorer och vid fordonets yta. Att förstå, kontrollera och minska turbulens är därför en väsentlig del i att skapa energieffektiva, hållbara transporter och för att svensk fordonsindustri ska vara konkurrenskraftig. Liknande flödesdynamik ligger bakom olika väderfenomen. Exempelvis drivs stormar av atmosfärisk turbulens och dessa ökar kraftigt i takt med klimatförändringarna. Därför är detta fenomen ett centralt fokus också inom klimatforskning.
– Turbulens är ett av de mest komplexa naturfenomen vi känner till. Forskare har ägnat sig åt detta under lång tid, men det finns stora utmaningar i forskningen och det är fortfarande många pusselbitar som saknas, berättar Tino Weinkauf, professor i visualisering och chef för Avdelningen för beräkningsvetenskap och beräkningsteknik vid KTH.
I projektet In situ-analys av Big Data för flödes- och klimatsimulering leder Tino Weinkauf ett tvärdisciplinärt team, med expertis från KTH, Linköpings universitet och Stockholms universitet, med målet att skapa bättre teknologi för att studera turbulens och flöden.

Datamängder försvårar
Ett av de bästa sätten att förstå flödesdynamik och turbulens är genom numerisk datasimulering, som gör det möjligt att visualisera processerna och studera dem på detaljnivå. Men de ofattbart stora mängderna data som även en kort flödessimulering ger upphov till gör den här typen av forskning extremt svår. Att simulera en sekund av det turbulenta flödet runt ett kommersiellt flygplan kräver en teoretisk beräkningstid på 500 år på Sveriges största superdator, Beskow på KTH. Att spara så mycket beräkningsdata på en disk låter sig inte göras. Samtidigt är det otillräckligt att enbart spara ett fåtal utvalda steg i processen eftersom de turbulenta strukturernas utveckling över tid är av avgörande vikt.
Tino och hans team utvecklar därför teknologi för att studera processerna in situ, det vill säga att analysera data direkt på superdatorn under tiden som den produceras. Sedan räcker det att spara resultatet, inte all skrymmande data.
– Vi tar fram teknologi som på ett intelligent sätt detekterar och extraherar den data som vi är intresserade av. På så sätt kan underliggande strukturer och tidsmässig utveckling studeras, förklarar Tino.
Teknologin baseras på diskret morseteori, en teori som kombinerar tillämpad matematik och datavetenskap. Forskningsprojektet spänner över ett brett spektrum, från grundforskning till mer tillämpningsnära, och svarar mot det stora behov som finns av nya metoder, så att flödes- och klimatforskning ska kunna avancera. Tillämpningarna av denna forskning är många, inte bara inom fordonsindustri, meterologi och klimatarbete. Även inom exempelvis cellbiologi, hemodynamik (studiet av blodcirkulation) och planetologi finns potentiella applikationer.

In situ-bibliotek
Med sina resultat bygger forskarna upp ett in situ-bibliotek bestående av mjukvara med öppen källkod. Det europeiska samarbetsorganet European Centre for Medium-Range Weather Forecasts, ECMWF, har visat intresse för programvaran. Samma program kan också användas av FN:s klimatpanel, IPCC.
– Det är väldigt roligt att arbetet kan få en omedelbar effekt på klimatforskning och klimatarbete, eftersom det är en av vår tids mest pressande frågor. Vi ser tydligt att antalet extrema väderhändelser ökar starkt, både i antal och svårighetsgrad. Om vi bättre förstår den bakomliggande flödesdynamiken kan vi göra mer exakta förutsägelser och utveckla effektivare varningssystem. Då kanske vi kan minska de katastrofala följder som vi ofta ser idag, säger Tino Weinkauf.
De övriga forskarna i projektet är Erwin Laure, professor vid KTH och direktor vid Max Planck Computing and Data Facility i Tyskland, Philipp Schlatter, professor vid KTH, Ingrid Hotz, professor vid Linköpings universitet, Gunilla Svensson, professor vid Stockholms universitet samt Rodrigo Caballero, professor vid Stockholms universitet.

KTH – Big Data

Forskningsprojektet In situ-analys av Big Data för flödes- och klimatsimulering finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning inom ramen för programmet Big data och beräkningsvetenskap. Det är ett multidisciplinärt projekt, som syftar till att utveckla nya metoder för flödes- och klimatsimulering. Tillämpningarna finns bland annat inom fordonsindustrin och klimatforskning, och är av stor relevans för Sverige och svensk industri.

www.kth.se
www.su.se
www.liu.se

Avancerade material för sår som inte vill läka

Johan Junker, senior forskare, Katastrofmedicinskt centrum och LiU, Daniel Aili, forskningsledare och biträdande professor, LiU, och Torbjörn Bengtsson, professor i medicinsk cellbiologi, ÖrU. Foto: Lasse Hejdenberg
Johan Junker, senior forskare, Katastrofmedicinskt centrum och LiU, Daniel Aili, forskningsledare och biträdande professor, LiU, och Torbjörn Bengtsson, professor i medicinsk cellbiologi, ÖrU. Foto: Lasse Hejdenberg

Effektiva sårvårdsmaterial, friskare patienter, kortare vårdtider och minskad antibiotikaanvändning är några av målbilderna för HEALiX. Ett tvärvetenskapligt forskningssamarbete med sikte på att skapa bättre förutsättningar för sjukvården att behandla och läka svårläkta sår.

Svårläkta sår är ett stort problem, framför allt för de patienter som drabbas men även för samhället i stort. Mot den bakgrunden har ett stort forskarteam gjort gemensam sak. I det SSF-finansierade projektet HEALiX är målet att utveckla avancerade sårförband baserade på nya biomaterial, som i kombination med antibakteriella peptider och sensorer kan ge effektivare metoder för att läka svårläkta sår.
Tvärvetenskapen är en av de stora styrkorna i projektet. Här finns förutom specialister inom sårvård och mikrobiologi även experter från både materialforskning och industri. En av projektmedlemmarna i HEALiX är ett ett svenskt medicinteknikföretag, S2Medical, som utvecklar förband av biosyntetisk nanocellulosa för sårläkning. Det nära samarbetet innebär att det redan från projektstart funnits en plan för att gå från grundforskning till patienter och faktisk vård.
– I stort sett alla inblandade har tidigare arbetat med avancerade material och metoder för sårläkning. Genom att slå ihop våra tankar och idéer såg vi en möjlighet att bidra och komma med nya lösningar på problemet, berättar Daniel Aili, forskningsledare och biträdande professor vid Linköpings universitet.

Flygande start
Daniel Aili har under flera år samarbetat med Torbjörn Bengtsson, professor i medicinsk cellbiologi och docent Hazem Khalaf vid institutionen för medicinska vetenskaper vid Örebro universitet, liksom med Johan Junker. Kontakter togs tidigt med Kristiina Oksman, professor i trä- och bionanokompositer, och Linn Berglund, biträdande universitetslektor, vid Luleå tekniska universitet.
Gensvaret blev minst sagt positivt och entusiasmen har fortsatt prägla samarbetet som inleddes redan innan anslaget var i hamn.
– Samverkan har löpt väldigt smidigt från dag ett. När SSF-anslaget kom var startsträckan till stor del redan avklarad, berättar Daniel Aili.
Kristiina Oksman och Linn Berglund forskar kring att ta fram nya material, och framställer cellulosananofibrer från till exempel trä. De ser nanocellulosa som ett lovande bio-baserat material för sårläkning, som nu utgör en ny infallsvinkel för deras forskning.
– Vi har länge arbetat med nanocellulosa som ett hållbart material för olika applikationer, men det medicinska området är en särskilt spännande utmaning för att nyttja nanocellulosans naturliga egenskaper, säger Kristiina Oksman.
Den snabba starten har inneburit att forskningsprojektet redan har kommit en bra bit på väg. Siktet är inställt på att utveckla ett förband som både bidrar till att läka såret och underlättar utvärderingen av behandlingen och sårets status med enkla integrerade sensorer.

Flera spår
Forskargruppen i Luleå har redan utvecklat ett nanocellulosamembran, redo för en första validering för användning som förbandsmaterial. Även forskarna i Örebro, som arbetat länge med att förebygga infektioner och påskynda läkning med antibakteriella peptider, har kommit långt.
– Vi har studerat peptider under många år och sett att de är väldigt effektiva mot olika sjukdomsframkallande bakterier, som exempelvis antibiotikaresistenta stafylokocker, berättar Torbjörn Bengtsson.
Örebrogruppens forskning har resulterat i en antibakteriell komponent som just nu testas på levande organismer i laboratoriet i Linköping. Parallellt jobbar gruppen i Linköping med att integrera de antibakteriella peptiderna med materialet som Luleåforskarna arbetar med att ta fram.
– Forskningen går i flera parallella spår men vi jobbar mycket med att integrera, kombinera och utvärdera de olika koncepten tillsammans, förklarar Daniel Aili.
Det övergripande målet och visionen för projektet är att skapa nya och bättre möjligheter att läka svårläkta sår.
– Infekterade sår är ofta svårläkta och ett förband som ger en tidig indikation på infektion och kan bidra till att stoppa infektionen kommer att vara till stor nytta för patienterna samtidigt som samhällets vårdbörda minskar. Dessutom gör peptiderna bakterierna mer känsliga för antibiotika, vilket innebär lägre doser. På så vis kan våra förband även minska risken för utveckling av antibiotikaresistens, fastslår Torbjörn Bengtsson.

Kristiina Oksman, professor i trä- och bionanokompositer, och Linn Berglund, biträdande universitetslektor, vid Luleå tekniska universitet.
Kristiina Oksman, professor i trä- och bionanokompositer, och Linn Berglund, biträdande universitetslektor, vid Luleå tekniska universitet.
LiU – HEALiX

HEALiX – avancerade sårvårdsmaterial för svårläkta sår. Experter inom klinisk sårvård, forskning och industri ska tillsammans utveckla antimikrobiella sårvårdsmaterial, baserade på peptider och nanocellulosa framställd av skogsråvara. Målet är att minimera behovet av omläggningar och reducera behandlingstider. Projektet ska även studera om man kan bygga in enkla indikatorer i förbanden som visar när såren behöver ses om.
Projektet stöds av SSF under perioden 2019-10-01–2024-12-31

Projektledare:

Daniel Aili
Division of Biophysics and Bioengineering, Department of Physics, Chemistry and Biology
Linköping University
Tel: 013-288984
Epost: daniel.aili@liu.se

Torbjörn Bengtsson
Department of Medical Sciences
Örebro University
Tel: 070-185 53 88
Epost: torbjorn.bengtsson@oru.se

Kristiina Oksman
Division of Materials Science, Department of Engineering Sciences and Mathematics
Luleå University of Technology
Epost: kristiina.oksman@ltu.se

Johan Junker
The Center for Disaster Medicine and Traumatology and Experimental Plastic Surgery, Department of Biomedical and Clinical Sciences
Linköping University
Epost: johan.junker@liu.se

www.healix.se

Innovativ metod banar väg för framtida elektronik

Karl Rönnby, doktorand, Polla Rouf, doktorand, Henrik Pedersen, professor, Chih-Wei Hsu, förste forskningsingenjör och Nathan O’Brien, biträdande universitetslektor på Linköpings universitet. Foto: Lasse Hejdenberg
Karl Rönnby, doktorand, Polla Rouf, doktorand, Henrik Pedersen, professor, Chih-Wei Hsu, förste forskningsingenjör och Nathan O’Brien, biträdande universitetslektor på Linköpings universitet. Foto: Lasse Hejdenberg

Mobiler, datorer och trådlös överföring av data kan förbättras med den nya metod som forskare vid Linköpings universitet har tagit fram. Bättre egenskaper för halvledande metallnitridfilmer ger elektroingenjörer redskap för att bygga bättre elektronik.

All elektronik bygger på halvledare som kan fås att leda ström på ett kontrollerat sätt. Professor Henrik Pedersens forskargrupp vid Linköpings universitet utvecklar metoder för att skapa tunna metallnitridfilmer med bättre kvalitet, vilket kan förbättra framtidens elektronik. Projektet får bidrag från SSF.

Använder tiden i kemin
En grundprocess för tillverkning av ytskikt och tunna lager av olika material är Chemical Vapour Deposition (CVD). Olika gaser leds in i en ugn samtidigt och får reagera med varandra och den yta som tunnfilmen ska finnas på. Processen har vissa begränsningar, och utgångspunkten för projektet var att utveckla metoden för att kunna göra bättre halvledarmaterial.
– Genom att använda tiden på ett smart sätt kan vi få kemin att fungera bättre. Det vi ville testa var om det gick att förbättra kvaliteten på filmerna genom att tidsupplösa tillförseln av gaserna i CVD. En gas i taget skickas in i ugnen på ett tidsbestämt och väldigt kontrollerat sätt. Metoden kallas för ALD och står för atomlagerdeponering – vi deponerar ett lager atomer åt gången som får reagera med den yta som metallfilmen ska finnas på, berättar Henrik Pedersen.
Forskargruppen jobbar med metallerna aluminium, gallium och indium. När dessa metaller reagerar med kväve, bildas nitrider som är vanliga material i halvledare. Galliumnitrid är till exempel grunden för alla ljusdioder.

Lägre temperaturer krävs
– Framför allt indiumnitrid är väldigt temperaturkänslig och fungerar därför inte med den traditionella CVD-processen. En superspännande egenskap hos ämnet är att elektroner förflyttar sig väldigt enkelt genom det. Därför är indiumnitrid lämpligt vid utveckling av elektronik som kan överföra data vid högre frekvenser. Dagens överföring av trådlös dataöverföring slår snart i taket eftersom vi inte kommer att ha tillräckligt med frekvenser att överföra i. Då måste vi upptäcka material som kan komma åt nya frekvenser. Indium-nitrid är ett sådant ämne, säger Henrik Pedersen.
Annan elektronik som kan förbättras med hjälp av nya material är till exempel mobiltelefoner, datorer, ljusdioder och radarutrustning.

Plasma hjälper kemin på traven
I den nya metoden används också plasmaurladdningar för att underlätta kemin och skapa reaktioner vid lägre temperatur. Henrik Pedersen berättar hur det fungerar:
– Vissa molekyler som reagerar lite trögare kan brytas ner genom att vi lägger på ett elektrisk fält kring gasen. Då slits atomerna isär så att fria elektroner och joner skapas. Så fungerar det i plasmaskärmar, lysrör och norrsken. Med hjälp av denna metod kan vi skapa material vid lägre temperatur. Vi hjälper kemin på vägen med hjälp av plasma och tidsupplösning.

Skapat helt ny molekyl
Forskargruppen är världsledande på metoden ALD för nitrider av aluminium, gallium och indium. Man har precis publicerat en studie kring en helt ny molekyl som ingen någonsin tidigare har gjort eller använt. Studien visar att molekylen fungerar väldigt väl i processen för att skapa indiumnitrid. Forskarna har även visat att indiumnitriden kopierar ytans struktur, vilket är en egenskap som är viktig när man skapar halvledarkomponenter.
– Vi har visat att grundidén för projektet funkar. Nu finns det ett sätt att göra indiumnitrid i elektronik. Det innebär att vi låser upp problem och ger elektroingenjörer möjligheter att tänka i nya banor, säger Henrik Pedersen.

Ännu fler möjligheter i sikte
Nästa steg som Henrik Pedersens grupp tittar på är kombinationer av de olika ämnena. Hittills har de gjort ren aluminium-, gallium- respektive indiumnitrid.
– Nu ska vi börja blanda ämnena och göra till exempel aluminiumgalliumnitrid – en blandning av aluminium, gallium och kväve. Genom att blanda ämnena i olika förhållanden, kan vi få fram spännande materialegenskaper.
Ett annat område forskarna sneglar mot är att med kemins hjälp följa ytans struktur ännu lättare:
– Vi vill öppna upp för möjligheterna att i framtiden att skapa ännu mer komplicerade elektroniska komponenter där materialet måste ner i små hål. Det kan du bara göra med tidsupplöst CVD. Genom att komma åt fler egenskaper, öppnas nya möjligheter upp inom elektroniken.

LiU – Framtidens Elektronik

Forskningsprojektet på Linköpings universitet leds av professor Henrik Pedersen och får bidrag från Stiftelsen för Strategisk Forskning, SSF. Målet med denna materialforskning är att möjliggöra spännande utveckling av elektronik.

För mer information, kontakta:
Professor Henrik Pedersen
E-post: henrik.pedersen@liu.se
Tel: 013-28 13 85

Knäckte koden som ger 5G obegränsad kapacitet

Emil Björnson, bitr. professor i kommunikationssystem vid Linköpings universitet, här med en antennprototyp. Foto: Lasse Hejdenberg
Emil Björnson, bitr. professor i kommunikationssystem vid Linköpings universitet, här med en antennprototyp. Foto: Lasse Hejdenberg

– Vi har visat att MIMO-tekniken som används för framtidens 5G-nät inte har någon övre begränsning. I takt med att mobilanvändandet ökar handlar det bara om att sätta upp fler antenner, säger Emil Björnson, bitr. professor i kommunikationssystem vid Linköpings universitet.

Mobiltelefonanvändningen ökar lavinartat vilket ställer krav på större kapacitet i näten. Lösningen har fram till nu varit att sätta upp fler basstationer på hustak och master.
– När gränsen är nådd måste man i stället ha smartare teknik på varje basstation, och det är här vår forskning kommer in i bilden, säger Emil Björnson.
Dagens basstationer täcker ett brett område, ungefär som en strålkastare sprider sitt ljus.
– Vi arbetar med MIMO-teknik där basstationerna består av många centimeterstora antenner istället för en stor. Med dagens teknik turas mobilanvändarna om i den ”breda” signalen, samtalen bryts, omärkbart för användaren, varje millisekund. Med MIMO-teknikens riktade signaler kan ett obegränsat antal personer vara igång samtidigt. Signalerna behöver bara göras smalare med hjälp av fler antenner per basstation när antalet personer ökar. Detta gör att kapaciteten i ett mobilnät kan öka många gånger om.
De förestående 5G-näten innehåller de första fröna till tekniken.
– Vi forskar på tekniker som kommer att behövas om fem-tio år, medan företagen ska klara av den ökning som sker nästa år. Vår horisont är längre men vi har redan kommit långt i arbetet med att få företag och universitet i världen att förstå att det är MIMO-tekniken som måste in i framtidens nät.

Energieffektivt
Det som sannolikt kommer att vara begränsningen för framtidens mobilnät är ekonomi och energiåtgång. Ett annat forskningsspår är därför energieffektivitet i framtida mobilnät, som studeras i ett projekt finansierat av Stiftelsen för Strategisk Forskning.
– Eftersom vi gör näten mycket effektivare blir de också mer energieffektiva, säger Emil Björnson, som i år fick prestigefyllda Marconi Prize Paper Award för sitt arbete på detta område.
Om fem-tio år hoppas han att tekniken som forskargruppen utvecklar ska ha börjat användas på allvar.
– Den här smarta signalbehandlingen är det avgjort bästa sättet att lösa framtidens kapacitetsproblem på. Vårt yttersta mål är att trådlös kommunikation ska finnas överallt och att mobiltäckning blir en icke-fråga. När vi nått dit är vi klara och jag får börja forska på något annat!

LiU – 5G MIMO-antenner
MIMO står för Multiple Input, Multiple Output, tekniken innebär att hundratals centimeterstora antenner kopplas samman. Forskare har hittills trott att det finns en övre gräns för hur mycket data det är möjligt att överföra med MIMO-teknik. Emil Björnson och hans forskargrupp har visat att den gränsen inte existerar.

Linköpings universitet
581 83 Linköping
Tel: 013-28 10 00
www.liu.se