Etikettarkiv: Nano

Banbrytande biomedicinsk forskning om nanosilver

Haipeng Li, post-doc, Georgios Sotiriou, forskningsledare och Felix Geissel, doktorand. Foto: Johan Marklund
Haipeng Li, post-doc, Georgios Sotiriou, forskningsledare och Felix Geissel, doktorand. Foto: Johan Marklund

Nanomaterial kan få stor betydelse i sjukvården, bland annat för bakteriefria implantat, som målsökande transportör av läkemedel samt som sensorer. På Karolinska institutet görs banbrytande forskning i gränslandet mellan materialvetenskap och biomedicin om medicinska tillämpningar för nanopartiklar. Gruppen gör stora framsteg och kommer allt närmare möjliga tillämpningar.

Nanomaterial kan komma att revolutionera medicinsk behandling eftersom deras extremt små dimensioner gör det möjligt för dem att interagera med såväl riktigt små enheter som proteiner, DNA eller virus, men även med större enheter som celler. Sedan 2016 leder Georgios Sotiriou en forskargrupp på Institutionen för mikrobiologi, tumör- och cellbiologi (MTC) på Karolinska Institutet, med fokus på nanopartiklars användningsområden inom hälsovården.
Projektet har tre huvudsakliga fokusområden: att utveckla nanopartiklar för nästa generations ytmaterial på implantat, som sensorer för diagnostik och annat, samt som målsökande transportörer av läkemedel.
– Vi samverkar tätt med andra discipliner, inte minst medicin. Tillsammans bidrar vi med olika perspektiv och det uppstår synergier och korsbefruktningar som är väldigt värdefulla. KI är den perfekta miljön för vår forskning, här finns både fantastisk infrastruktur och omfattande expertis, säger Georgios Sotiriou, som är civilingenjör i tillämpad fysik i botten.

Motverkar infektioner
En av de viktigaste tillämpningarna är implantat som är mer motståndskraftiga mot infektioner. I dag förlorar upp till en av tio patienter sitt implantat. Ofta sker detta på grund av infektion och dessa patienter måste behandlas med antibiotika eller i värsta fall opereras på nytt. Doktoranden Felix Geissel arbetar med att utveckla nanopartikelbeläggningar specifikt för implantat. Beläggningen består av nanostrukturerat silver som bekämpar bakterier och förebygger infektioner. Metoden kallas flame spray pyrolysis.
– Metoden har många fördelar. Vi får en stor mängd nanopartiklar, beläggningen är billig att framställa och framför allt är den väldigt effektivt mot bakterier. Våra tester visar att den inhiberade upp till 99,999 procent av bakterier. En annan fördel med vissa implantatbeläggningar är att de kan tillverkas på ett sätt som liknar mänsklig vävnad och därför kan integreras bättre i kroppen, säger Felix, vars resultat nyligen publicerades i en ansedd vetenskaplig tidskrift.
Forskarkollegan Haipeng Li, som gör sin post-doc på KI, forskar liksom Felix om silverstrukturerade nanopartiklar med flame spray pyrolysis. Men hans fokus är inte implantat, utan att utveckla sensorer.
– Vi studerar hur man kan få fram egenskaper för att mycket snabbt och kostnadseffektivt detektera toxiner och andra ämnen. Ett möjligt användningsområde är inom livsmedelsindustrin, där sensorerna på några minuter kan upptäcka pesticider. De skulle också kunna användas till att detektera läkemedelsmängd, för exakt rätt dosering. Teknologin är enkel att skala upp och till fullo reproducerbar. Det är viktigt om den ska användas i kommersiella sammanhang, förklarar Haipeng, som även han nyligen publicerat sina resultat i en prestigefull vetenskaplig tidskrift.

Stor potential
Georgios Sotiriou och hans team ligger i den absoluta frontlinjen för att utveckla nanopartiklar för biomedicinska tillämpningar och hans forskning har rönt mycket uppmärksamhet. Han får stora anslag av en rad olika finansiärer, bland annat Stiftelsen för strategisk forskning och Europeiska forskningsrådet, ERC.
– Nanoteknologin har enorm potential och silver är ett så oerhört intressant material, som har använts i tusentals år inom läkekonsten. Felix och Haipeng utgår båda från silver, men den ena forskningen studerar silvrets antimikrobiella egenskaper, medan den andra utnyttjar dess optiska egenskaper. Det är ett väldigt mångsidigt material, säger Georgios.
Hans hopp är att teamets forskning ska kunna göra verklig nytta i medicin och folkhälsoarbete. Genom att metoderna och materialen är kostnadseffektiva och skalbara kan de bli viktiga verktyg för sjukvård och läkemedelsindustrin.
– Vi arbetar inte bara med att identifiera utmaningar, utan med att förstå processer på detaljnivå. Då kan vi angripa problem ur ett rationellt helhetsperspektiv och skapa lösningar som verkligen kommer människor till godo, avslutar Georgios.

Klicka här för att läsa mer om min forskning

Karolinska Institutet – Nanopartiklar i sjukvård

Georgios Sotiriou arbetar i gränslandet mellan materialvetenskap och biomedicin och leder en forskargrupp på Karolinska Institutet. Hans forskning om nanopartiklars användning inom sjukvården har tre fokusområden: för diagnostik, för att skapa nya ytmaterial hos implantat för att minska infektioner samt som transportörer av läkemedel.

Kontakt:
E-post: georgios.sotiriou@ki.se
sotirioulab.org

Länkar till nyligen publicerade artiklar:

doi.org/10.1016/j.jcis.2021.11.038
doi.org/10.1002/advs.202201133

Nanotekniken öppnar nya dörrar

Christelle Prinz, professor i biofysik på avdelningen för Fasta tillståndets fysik och NanoLund vid Lunds universitet. Foto: Jan Nordén
Christelle Prinz, professor i biofysik på avdelningen för Fasta tillståndets fysik och NanoLund vid Lunds universitet. Foto: Jan Nordén

Utvecklingen av nanoteknik har gått snabbt, dock är det först nu den på allvar börjar ses som en stor tillgång inom andra forskningsområden. Vid Lunds universitet utnyttjas nanorör för att utveckla nya sätt att exempelvis föra in biomolekyler i stamceller med hög effektivitet.

Christelle Prinz är professor i biofysik på avdelningen för Fasta tillståndets fysik och NanoLund vid Lunds universitet och har jobbat under många år med att utveckla nanoteknik.
– För 15-20 år sedan var det vi själva som drev på forskningen inom nanoteknik. Men nu kommer alltfler förfrågningar från andra forskningsområden som ser reella möjligheter att använda nanotekniken inom sina områden, berättar hon.
Nanotekniken kan ha en avgörande inverkan som nytt forskningsverktyg i exempelvis medicinska laboratorier för exakt manipulation av cellinnehåll och genom.

Spännande projekt
Tillsammans med sina kollegor Charlotte Ling, Jonas Larsson och Martin Hjort vid den medicinska fakulteten, driver hon ett större projekt finansierat av SSF, ”Utveckling av nanoinjektionsnålar för genetisk och epigenetisk modifiering av stamceller” som ska möjliggöra korrigering av defekter i den genetiska koden utan att skada cellen.
– Projektet kommer att inriktas på två banbrytande tillämpningar: (i) genetisk redigering av blodstamceller för genterapi och (ii) epigenetisk redigering av stamceller för att göra om dem till till exempel muskelceller (för ökat glukosupptag) och insulin-utsöndrande β-celler för utveckling av typ 2-diabetes-behandling.
På lång sikt förväntar de sig att projektet kommer att adressera flera industriella och samhälleliga behov genom att öppna för nya vägar inom terapi för flera olika typer av sjukdomar.

Ökar effektiviteten
En av de större utmaningarna har varit hur de kan ta sig igenom cellmembranet, som är otroligt svårt att penetrera utan att döda cellen.
– Vår lösning är att använda mycket lokala elektriska fält vilket försvagar membranet tillräckligt för att våra nanorör ska kunna ta sig igenom. Det elektriska fältet använder vi sedan även för att driva in molekyler i cellen.
Fördelarna med att använda nanorör för transporter av molekyler, som DNA och arvsmassa, in i cellerna är att de skonar cellerna. De tekniker som används idag, exempelvis att använda så kallad elektroporering, innebär ofta att cellerna dör.
– Det gör att de metoderna har en mycket låg effektivitet, med nanorören höjs effektiviteten betydligt, avslutar Christelle Prinz.

LU – Nanoteknik

NanoLund är ett starkt forskningsområde vid Lunds universitet som samlar 55 forskargrupper från olika discipliner med ett gemensamt intresse i nanoteknologi. Det är Sveriges största forskningsmiljö för nanovetenskap och nanoteknologi.

www.nano.lu.se

Forskning om framtidens smarta biosensorer

Zhen Zhang, professor vid Institutionen för elektroteknik på Uppsala universitet. Foto: Mikael Wallerstedt
Zhen Zhang, professor vid Institutionen för elektroteknik på Uppsala universitet. Foto: Mikael Wallerstedt

Kiselbaserad integrerad kretschipteknologi är grunden till det moderna informationssamhället. Vid Uppsala universitet tar man kiselchippen vidare till nästa steg – för att skapa biosensorer, med en rad tillämpningar inom exempelvis bioteknik.

Datachip av kisel, så kallade integrerade kretsar, är själva livsnerven i datorer, mobiltelefoner och annan digital kommunikationsutrustning. Under lång tid har fokus för datachipforskning varit att minska komponentstorleken för att uppnå snabbare elström och högre integrationstäthet. Nu har emellertid nedskalningen nått den grundläggande fysiska gränsen för en funktionell komponent.
– Men den väletablerade kiseltekniken för tillverkning av nanoskaliga komponenter är fantastisk. Vi vill fortsätta att utveckla den för nya tillämpningar som smarta biosensorer, säger Zhen Zhang, professor vid Institutionen för elektroteknik på Uppsala universitet och ansvarig för projektet.
– Komponenterna har egenskaper som gör dem oerhört lämpliga eftersom deras stora yt-till-volymförhållande ger en känslighet för laddning, kraft, ljus och massförändring som aldrig har varit möjlig tidigare. De är också snabba och kan masstillverkas till en låg kostnad.

Minilaboratorier
Genom att utnyttja den etablerade tekniken för halvledarkomponenter i nanoskala vill Zhen Zhang och hans team skapa laboratorier i miniformat, där komponenterna används som smarta sensorer, istället för som stödelektronik i traditionella avkänningsutrustningar. Detta blir ett snabbare, mer tillförlitligt och kostnadseffektivt alternativ till dagens dyra biosensorer.
Möjliga användningsområden är att snabbt och träffsäkert upptäcka sjukdomar eller testa för antibiotikaresistens. Sensorerna kan också detektera joner för att säkerställa vattenkvalitet, eller fånga och analysera enskilda molekyler. Allt detta har stort intresse för forskning inom livsvetenskaperna.
– Det finns en enorm potential. Utmaningen är att det stora yt-till-volymförhållande som gör kiselnanokomponenter så lämpliga som biosensorer också gör dem känsliga för störningar. Vi fokuserar mycket på att hitta lösningar för detta.

Bred kompetens krävs
Det är tvärdisciplinär forskning, med expertis från bland annat elektronik, materialvetenskap, fysik, elektrokemi, biokemi och biomedicin.
– Uppsala universitet har en unik position, med sitt avancerade laboratorium och breda kompetenser. Det är en väldigt god miljö för den här forskningen.

UU – Smarta Biosensorer

Projektet Halvledarnanosensorteknik för ett smartare samhälle finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning. Forskningen syftar till att utnyttja teknologin bakom kiselbaserade mikrochip för att skapa framtidens biosensorer. Den breda kompetensen vid Uppsala universitet, samt unika laboratoriemiljöer vid bland annat Ångströmlaboratoriet och den nationella Myfab infrastrukturen för nanotillverkning, möjliggör den tvärdisciplinära, avancerade forskningen.

zhen.zhang@angstrom.uu.se
www.personal.teknik.uu.se/zhenzhang

Gröna katalysatorer för klimatet

Maria Messing, lektor vid Lunds universitet. Foto: Jan Nordén
Maria Messing, lektor vid Lunds universitet. Foto: Jan Nordén

Kemiska processer ligger bakom en stor del av våra dagliga liv. Med hjälp av gröna katalysatorer vill en forskargrupp vid Lunds universitet bidra till en mer hållbar kemikalieproduktion i framtiden.

En katalysator är ett ämne som möjliggör, förenklar eller styr kemiska reaktioner utan att själv förbrukas. Genom bättre katalysatorer kan de kemiska processerna bli mer miljövänliga och bidra till en hållbar utveckling.
– Samhället behöver jobba med hållbarhet på många olika sätt för att klara klimatomställningen. Det räcker inte med förbud och dyra plastpåsar, vi måste även bidra genom forskning. Jag motiveras av att kunna bidra till omställningen genom att skapa gröna katalysatorer, säger Maria Messing, docent och lektor i nanofysik vid Lunds universitet.

Spelar en viktig roll
Katalysatorer behövs till oräkneliga områden; mediciner, tvål och avgasrening är bara några exempel. Utan katalysatorer vid tillverkning av gödningsmedel hade vi inte kunnat producera tillräckligt med mat för att mätta jordens befolkning. Kemikalieframställning utgör 35 procent av världens bruttonationalprodukt och katalysatorer används vid 80 procent av all kemikalieproduktion.
– Idag sker tillverkningen av katalysatorer slumpmässigt. Man provar sig fram för att hitta ett ämne som fungerar. Min forskargrupp kan designa katalytiskt aktiva partiklar och bestämma egenskaper som är optimala för den reaktion där de ska användas. På ett enkelt sätt kan vi tillverka och ändra sammansättningen av små partiklar på nanonivå. Vi kan även blanda olika material och styra storleken på partiklarna. Vi har unika möjligheter att göra olika metallblandningar där materialen förstärker varandra, berättar Maria Messing.

Bättre för miljön
Forskningsprojektet har två övergripande målsättningar: skapa katalysatorer som är mer effektiva och mer miljövänliga. Båda målen bidrar till en mer hållbar kemikalieproduktion. Maria Messing berättar:
– En av de viktigaste processerna i dagens samhälle använder en katalysator som innehåller giftigt bly. Vi kan möjliggöra samma reaktion utan bly, med andra ord gör vi själva katalysatorn mer miljövänlig. Den andra målsättningen handlar om effekt. Vid framställning av till exempel läkemedel krävs enorma mängder energi och kemikalier. Genom att skapa en bättre katalysator, kan vi göra processen mer effektiv och skona miljön.

LU – Gröna Katalysatorer

Maria Messings forskargrupp vid Lunds universitet blandar nanodesign med organisk kemi. Målsättningen är att skapa miljövänliga katalysatorer som dessutom är mer effektiva. Ju bättre de är, desto mindre energi krävs för den kemiska processen. Det innebär en mer hållbar kemikalieproduktion men även kostnadsbesparingar. Projektet får bidrag från SSF.

Maria Messing
Tel: 046-222 36 91
E-post: maria.messing@ftf.lth.se

www.nano.lu.se


Premiär för svensk kol-radio nästa år

Johan Liu, professor på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2) vid Chalmers. Foto: Patrik Bergenstav
Johan Liu, professor på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2) vid Chalmers. Foto: Patrik Bergenstav
Framtidens elektroniksystem baseras på – kol! Forskare på Chalmers i Göteborg ska 2019 ha ett demonstrationsexemplar framme: En radio med elektronik av kolnanorör och supermaterialet grafen!

– Vi är övertygade om att vi ska få fram en fullständig demonstrator som fungerar, förhoppningsvis våren 2019, säger Johan Liu, professor på institutionen för mikroteknologi och nanovetenskap (MC2) vid Chalmers tekniska högskola.
Idag baseras det mesta av vår elektronik på kisel. Men inom 10-15 år väntas den teknologin nå sitt tak. Då går det inte längre att göra transistorer och mikrochip av kisel mindre och mindre, snabbare och snabbare.
I fyra år har professor Johan Liu och ett forskarteam under hans ledning forskat kring frågan om hur nya kolstrukturer, ihop med substrat av halvledaren galliumnitrid, kan ersätta kiseln i framtidens elektronik.

Kyler bättre än koppar
– Det finns ju andra alternativ, man talar till exempel om kvantdatorer eller biologiska system inom elektroniken. Men vi tror att det finns en väldigt stor potential i grafen och kolnanorör, säger Johan Liu.
– De kanske inte kan ersätta all kisel direkt, men i väldigt många applikationer, särskilt i datorer. Hittills ser det bra ut.
Under projektets gång har forskargruppen på cirka 20 personer utvecklat flera nya teknologier och gjort spännande fynd i jakten på nya komponenter och byggsätt kring de nya materialen.
– Vi har till exempel kunnat påvisa att grafen har helt fantastiska prestanda i att kyla elektroniken. Grafen är cirka åtta gånger bättre än koppar, det är rekord!

Mycket små grejer
– Målet är att de nya materialen ska vara bättre och effektivare i det mesta; signalöverföring, värmebortledning och miniatyrisering – det här är ju väldigt små grejer, säger Johan Liu.
Den nedersta gränsen för vad som går att bygga med kisel anses vara cirka 5 nanometer (= 0,000000005 meter).
– Grafen och kolnanorör erbjuder mycket mindre dimensioner. Vi hoppas kunna komma ner i kanske 1 nanometer, säger Johan Liu.
Projektet siktar på all slags elektronik – bilar, kameror, datorer – men har en särskild vinkel på Sveriges framskjutna position inom mobil kommunikation, tack vare bland andra Ericsson, och fokuserar därför främst på höghastighetselektronik.
– Mobila, snabba kommunikationer är så strategiskt viktiga för Sverige. Om vi ska vara framgångsrika på det området även i framtiden, måste vi hänga med i utvecklingen, säger Johan Liu.

Chalmers – Kolbaserat höghastighets elektroniksystem
Projektet forskar om framtidens högpresterande elektroniksystem, baserat på galliumnitridsubstrat och kolnanomaterial (grafen och kolnanorör), som nyckelfaktor för integration i framtida elektroniksystem bortom CMOS.
Stiftelsen för Strategisk forskning (SSF) finansierar Chalmers deltagande under 2014–2019 med 32 miljoner kronor.
Grafen består av ett enda lager kolatomer i ett hönsnätsmönster. Grafen är starkare än stål men samtidigt lätt, böjbart och har mycket god elektrisk ledningsförmåga.
Chalmers tillverkar sin grafen själva, av råvaran grafit och genom kemisk ångdeponering. Upptäckten av grafen belönades med Nobelpriset i fysik år 2010.

Chalmers tekniska högskola
Kemivägen 9, MC2-huset

Kontakt: Johan Liu
Tel: 031-772 3067
E-post: johan.liu@chalmers.se
research.chalmers.se/project/6040

Nano-pulver förtätar sinterstål

Lars Nyborg, professor i ytteknik vid Chalmers tekniska högskola. Foto: Patrik Bergenstav
Lars Nyborg, professor i ytteknik vid Chalmers tekniska högskola. Foto: Patrik Bergenstav

Hela 25% av världens metallpulver tillverkas i Sverige och potentialen för att vidareutveckla och utöka användningsområdena är enorm. Hittills har utmaningen legat i materialets porösa egenskaper, men nu utvecklar forskare sätt att framställa tätare pulverbaserade material.

Projektet Nanoteknikstödd tillverkning av högpresterande sinterstål siktar på att skapa nya sätt att framställa sinterstål med inslag av nanopulver, vilket skulle bana väg för nya sinterstål.
– Projektet syftar till att skapa helt nya sätt att tillverka nya material. Pulverindustrin är en mycket viktig industriell verksamhet i Sverige, och i och med denna forskning finns potentialen att tillföra nya innovationer, vilket i förlängningen både industrin och slutanvändarna kommer att få nytta av inom en mängd olika tillämpningar, berättar Lars Nyborg, professor i ytteknik och ledare för arbetet.

Nära samverkan med industrin
Projektet är ett samarbete mellan Chalmers, Lunds universitet, KTH och Uppsala universitet. I slutet av 2018 väntar en halvtidsutvärdering på Chalmers; pulverteknik är ett resurssnålt sätt att skapa en slutprodukt och framöver står forskarna i begrepp att utforma demonstrationsobjekt i form av kuggapplikationer. Kärnan i forskningen handlar om att styra sintringsprocesserna för att förtäta materialen till nära nog full täthet, och det handlar i sin tur om att förstå pulverytorna och mekanismerna kring detta i detalj.
– Via avancerad mikroskopi och ytanalys har vi funnit ett sätt att utnyttja nanopulver på ett nytt och mycket effektivt sätt, vilket skulle kunna användas som tillsats till vanligt pulver för att förstärka krympningen vid sintringen och därmed skapa möjligheter att på helt nya sätt sintra och eliminera porer. Detta är ett arbete som utförs i nära samverkan med industrin och vi tittar på hela kedjan från råmaterial och processutveckling till produkt­egenskaper, tillverkning, hållbarhet och ekonomi. Här finns stora vinster att göra, säger Lars.

Carin Andersson, professor i industriell produktion vid Lunds universitet.
Carin Andersson, professor i industriell produktion vid Lunds universitet.

Kostnadseffektiva produktionssystem
I Lund leds forskningen av Carin Andersson, professor i industriell produktion vid Lunds universitet. Hon har lång bakgrund inom området och har varit inriktad på såväl forskning om kuggbearbetning och produktionsutveckling som hur man bäst bygger kostnadseffektiva produktionssystem.
− Detta är en förutsättning för att kunna ta den teknik Lars har berättat om, alltså att introducera nanopartiklar i pulver, till industriell användning. Det som är intressant att undersöka i detta projekt är hur kostnadseffektiv och hållbar den nya tekniken verkligen är jämfört med det konventionella sättet att tillverka kugghjul. Tekniken har stor potential att etablera hållbarare och kostnadseffektivare tillverkning, men hittills har ingen undersökt detta på djupet. Därför fokuserar vi i Lund på att bygga beslutsmodeller och samla information som hjälper oss att beräkna kostnad, värde och hållbarhet.

Stort intresse från industrin
Gruppen har inlett sitt arbete med att granska konventionella tekniker och vad som driver kostnaderna där, men kommer framöver att vända blicken mot den nya pulvertekniken. Arbetet är komplext och även om intresset från industrin är stort är det få aktörer som vågar gå först och använda nya metoder.
− Det är alltid en risk med nya tekniker – kommer man att få ett material som uppfyller samma krav på kvalitet som det man redan har? Vem ska våga ta riskerna och hantera barnsjukdomarna med ny teknologi? Vi har modeller och metoder som vi använder och utvecklar för att kunna göra djupgående analyser för att förbereda pulvertekniken för industrialisering – att vår forskning är industrirelevant är en käpphäst för mig. Vi tror att svensk industri kan dra stor nytta av att den här tekniken, när den kommer ut på marknaden. Redan från projektstart har vi haft metallpulvertillverkare som samarbetspartners, och vi letar just nu efter nya samarbeten med pulverkomponenttillverkare.

Ett högaktuellt projekt
Framöver kommer forskargruppens arbete att gå längs två huvudspår; det ena är som redan nämnts att analysera kostnaderna för både konventionell och ny teknik i förhållande till kvalitet, emedan det andra är att undersöka hållbarheten i de två processerna för att framställa kugghjul.
− Det är högaktuellt, i synnerhet med tanke på FN:s 17 nya Sustainable Development Goals (SDG). Företagen blir mer och mer uppmärksamma och vill utveckla sina strategier och lösningar för att öka hållbarheten, så vårt projekt ligger helt rätt i tiden, vilket är väldigt spännande, avslutar Carin.

Nanoteknikstödd tillverkning av högpresterande sinterstål

Projektet syftar till att matcha behoven inom framtida hållbar tillverkning av komplexa komponenter genom pressning och sintring. För att möjliggöra detta krävs utveckling av sinterstål med förbättrad prestanda genom ökad täthet. Detta kompletteras med studier av sinterstålproduktens ytegenskaper och analys/modellering av tillverkningsekonomi och hållbarhetsfaktorer.
E-post: lars.nyborg@chalmers.se