Etikettarkiv: UU

Laddar för Europas batteriindustri

Det här är gänget på Uppsala universitet som får Battery 2030+ att rulla för hela Europa. Från vänster Kajsa Saykali, kommunikatör, professor Kristina Edström, projektledare Eva Regårdh och administrativ koordinator Camilla Dann. Esa Stenberg, senior rådgivare EU-forskning, saknas på bilden. Foto: Mikael Wallerstedt
Det här är gänget på Uppsala universitet som får Battery 2030+ att rulla för hela Europa. Från vänster Kajsa Saykali, kommunikatör, professor Kristina Edström, projektledare Eva Regårdh och administrativ koordinator Camilla Dann. Esa Stenberg, senior rådgivare EU-forskning, saknas på bilden. Foto: Mikael Wallerstedt

För de flesta av oss är batterier en mogen produkt. Men så är det inte. Forskarna i det EU-finansierade forskningsinitiativet Battery 2030+ tror att batterier som är fem-tio gånger mer effektiva än dagens är inom räckhåll. Det skulle kunna boosta den snabbväxande batteriindustrin i Europa.

Vi använder mer och mer batterier, i konsumentprodukter, i fordon och i industrin. Batterier har många fördelar, men det finns också problem med kritiska metaller, med för låg grad av återvinning och importberoende. EU satsar därför nu stort på forskning och utveckling för batterier. Ett av de större initiativen, och framförallt det med lång horisont, är Battery 2030+ som leds från Ångströmlaboratoriet vid Uppsala universitet av professor Kristina Edström. Hon har ägnat hela sin forskargärning åt just batterier.
– Många lågt hängande frukter vad gäller batterier är redan plockade, men det finns ändå mycket kvar att göra, säger Kristina Edström. För att väsentligt förbättra prestanda på batterier måste vi lära oss mer om de komplexa elektrokemiska reaktioner som sker inne i batteriet under drift. Forskningen kretsar mycket kring nya kombinationer av material, med olika egenskaper för olika tillämpningar. Vi kemister älskar ju att labba, men nu har vi stigit in i datorvärlden. Precis som läkemedelsindustrin testar vi tänkbara substanser i tusental digitalt, där endast de lovande kandidaterna går vidare till riktiga labbförsök. Det sparar många timmar i labbet och accelererar forskningen.

Varför åldras batteriet – egentligen?
Principen för ett batteri är enkel, men i likhet med många naturvetenskapliga processer ökar komplexiteten snabbt när olika parametrar spelar mot varandra. Det finns utmärkta modeller som beskriver elektrokemiska data, men färre på battericells- och systemnivå. För att försäkra sig om att modellerna stämmer ökar datamängderna snabbt när man kommer upp på systemnivå, som i ett batteripack. Här kommer maskininlärning och AI in i bilden. Datadriven design med modeller som speglar den fysiska världen med den maskininlärda, är en tung del i Big-Maps forskning, det i särklass största av projekten. (Big står för Battery interface genome och Map för Materials acceleration platform). Big-Map kommer att ge värdefull kunskap i realtid om skeendet inne i batteriet under upp- och urladdning, och bidra till detaljerad förståelse av batteriets gradvisa åldrande. Till skillnad från biologiskt liv finns ingen självläkande förmåga i batterier.
– Men vi tänkte att man borde kunna ändra på det, säger Kristina Edström. Delvis inspirerade av senare års målsökande läkemedel tittar vi på att införa självläkande mekanismer i batteriet. Det kan vara små mikrokapslar som vid en viss temperatur spricker och skickar ut ämnen som minskar åldrandet. Det kan vara specialdesignade kiselnanopartiklar inbäddade i polymera material, som motverkar sönderfallet inuti batteriet, eller en elektrisk impuls som ”skjuter” sönder det plack som bildas inne i batteriet och bidrar till åldrandet. Det är våra projekt Bat4ever och Hidden som fokuserar på detta.

Dags för sensorer i batteripacken
En förutsättning för att förstå processerna inne i batteriet är naturligtvis också att kunna mäta spänning, ledningsförmåga, temperatur och andra parametrar. Men de flesta batterier saknar sensorer som känner av batteriets tillstånd. Anledningen är att sensorerna helt enkelt varit för dyra, klumpiga eller påverkat batteriets prestanda. För att bli kommersiellt gångbara måste sensorerna bli både mycket mindre och billigare. Den utmaningen har de tre projekten Sensibat, Instabat och Spartacus, ofta i samarbete med fordonsindustrin, tagit sig an på olika sätt.
– Sammantaget har vi en del att jobba på. Jag är övertygad om att den europeiska fordons- och batteriindustrin kommer att ha stor nytta av våra forskningsresultat som nu börjar ramla in, avslutar Kristina Edström.

Klicka här för att läsa mer om Battery 2030+

Uppsala universitet – BATTERY 2030

BATTERY 2030+ består av 6 forskningsprojekt som involverar 102 parter från 20 länder i Europa. Bilden visar projektnamnen och lärosäte/ institut. Forskningsprojekten koordineras och styrs från Uppsala universitet.

Några exempel på morgondagens batterier:

Natrium-jonbatterier: Natrium, en del i vanligt koksalt, finns det gott om. Natriumbatterier beräknas nå sitt kommersiella genombrott omkring 2025 och kommer att vara utmärkt för många mindre energikrävande tillämpningar, till exempel för att lagra vind- och solenergi.

Redoxbatterier: Med organiska material kan Redoxbatterier göras uthålliga och till låg kostnad. De är intressanta för en mängd olika applikationer där hög energitäthet inte är en förutsättning. Det kan till exempel vara stationära batterier för husuppvärmning – men inget för fordon, där kraven på energitäthet är höga.

Fast-fasbatterier: Ju högre energitäthet ett batteri har, desto mer reaktivt är det som regel, det vill säga det riskerar att brinna… En lösning på detta problem är ha en fast elektrolyt, ofta någon polymer.

Aluminium-jonbatterier: Ett alternativ till litium. Energitätheten är hög, brandrisken låg, de kan göras till en låg kostnad och laddas fler gånger än litium-jonbatterier, men man har inte löst alla problem kring elektrokemisk stabilitet.

Litium-jonbatterier: Litium-jonbatterier med kiselbaserade anoder spås också en framtid eftersom de har förutsättningar att göras billiga och säkra, med lätt vikt och snabb uppladdning. Men, vid uppladdning expanderar kislet kraftigt och de problem det ger upphov till är inte helt lösta.


uu.se/battery-2030

Den gröna pulvertekniken

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

Sverige är världsledande på att göra metallpulver och tack vare ny forskning, där nanoteknik används på nya sätt, kan sintrade metallpulverkomponenter nå full täthet och därmed kunna användas i betydligt fler applikationer än idag.

Det berättar Lars Nyborg, professor i ytteknologi vid Chalmers tekniska högskola. Han har lett ett stort forskningsprojekt, ”Nanoteknikstödd tillverkning av högpresterande sinterstål”, som nu avslutats med mycket goda resultat.
– Vi har byggt upp en kunskapsplattform för många olika nanopulver vi tagit fram, de kan användas som tillsatser till vanligt metallpulver för att passa för olika tillämpningar. Vi har även tagit fram metoder och modeller för att kunna testa avancerade pulvermaterialkomponenter i labbmiljö.

Hållbarhetsaspekter viktiga
Han berättar också att komponenter tillverkade av metallpulver, genom sintring eller pressning, är betydligt hållbarare än många andra metallkomponenter.
– Det handlar både om att metallpulver i sig självt är ett grönare material då man alltid använder hundra procent av råmaterialet, det blir inget spill under tillverkningen. Även tillverkningskedjan är mer hållbar då man exempelvis inte behöver lika höga temperaturer som i vanlig ståltillverkning.
Då samhället står inför en stor omstöpning i och med elektrifieringen innebär det att bland annat fordonsindustrin kommer att behöva utveckla nya produktionsprocesser och produkter.
– Det blir stora utmaningar för industrin och jag ser att pulvermaterialkomponenter kan spela en stor roll när nya lösningar är på väg in. Men då måste den typen av komponenter upp i prestanda ett par nivåer, vilket är vad vi har bidragit till i det genomförda projektet.

Optimala metoder och material
I projektet valde de att testa den nya tekniken på transmissionskomponenter, men resultaten kan användas på många andra produkter.
– I projektet har vi fått alla pusselbitar att fungera ihop, från de nanopulver vi tagit fram till att addera dem till vanliga metallpulver och därigenom kunnat få fram sintrade eller pressade pulvermaterialkomponenter med i stort sett full täthet.
Utöver den avancerade teknikutvecklingen har de även utvecklat hållbarhets- och kostnadsmodeller.
– Med dem kan man utvärdera olika tillverkningsprocesser ur ett systemperspektiv för att kunna avgöra vilka typer av produktionsmetoder och material som är mest optimala, avslutar Lars Nyborg.

Chalmers – Nanosinterstål

Projektet ”Nanoteknikstödd tillverkning av högpresterande sinterstål” har finansierats av Stiftelsen för strategisk forskning. Utöver de rent tekniska framstegen har även mycket kunskap byggts upp, ett antal doktorander har disputerat och ny samverkan skapats internationellt.

E-post: lars.nyborg@chalmers.se

Uppsalaforskare gör Big Data till Smart Data

Ida-Maria Sintorn, CTO, Vironova, Carolina Wählby, professor och Salman Toor, docent vid Uppsala universitet. Foto: Johan Marklund
Ida-Maria Sintorn, CTO, Vironova, Carolina Wählby, professor och Salman Toor, docent vid Uppsala universitet. Foto: Johan Marklund

– Inom HASTE-projektet utvecklas metoder som snabbt kan sortera bort ointressant information, hitta data som är relevant och analysera den på ett sätt som bidrar till nya insikter. Det är då Big data blir till Smart data på ett hållbart sätt, säger Carolina Wählby, professor vid Uppsala universitet.

Inom, HASTE, (Hierarchal Analysis of Spatial and Temporal Data) arbetar en tvärvetenskaplig forskargrupp med att ta fram metoder för hierarkisk rankning av mikroskopidata med sikte på tillämpningar inom life science. Det övergripande målet är att effektivisera analysen av bilddata. Forskningen sker i samarbete med bland annat Vironova där ett forskningsspår är inriktat mot automatiserad mikroskopibildsanalys av biologiska prover.
I Vironovas fall handlar det främst om analys av nanopartiklar som ingår i läkemedel. Ett aktuellt exempel är mRNA-vaccin, en typ av vaccin som använts flitigt under coronapandemin.
– För Vironovas del handlar projektet om att effektivisera bildtagning och analys av läkemedel, vilket är en tjänst som företaget tillhandahåller läkemedelsföretag för att i sin tur optimera kvalitet och tillverkning av läkemedel. För att analysera läkemedlen använder Vironova elektronmikroskop. Här genereras stora mängder bilddata, men det är bara en ganska liten del som är av intresse för analysen. Genom att exkludera irrelevant data tidigt i processen kan man spara både tid och beräkningsresurser, säger Ida-Maria Sintorn, CTO, Vironova.

Prototyp
Projektet har under de gångna åren kommit en bra bit på väg. Docent Salman Toor har tillsammans med sina forskarkollegor vid Uppsala universitet utvecklat en sofistikerad beräkningshierarki som i samband med bildtagning gör en snabb analys som fastställer om bilden är relevant och om den ska sparas eller inte.
– Vi har testat delar av vår prototyp i Vironovas verksamhet och kommit fram till ett proof-of-concept. Vårt verktyg gör det möjligt att i förväg se var man bör fokusera analysen, vilket kraftigt minskar tidsåtgången, effektiviserar resursanvändningen och minimerar koldioxidavtrycket, förklarar Saalman Toor.
En viktig fråga är förstås vad i den stora datamängden som anses vara relevant data.
– Därför handlar en annan del av HASTE-projektet om att utveckla AI-metoder. Genom att kombinera dem med beräkningseffektiva mått som beskriver sannolikheten för att en del av en bild eller tidssekvens innehåller vetenskapligt relevant information kan vi omvandla Big Data till Smart Data, fastslår Carolina Wählby.

Klicka här för att läsa mer om HASTE

Uppsala universitet – Big data

I samarbete med Vironova och AstraZeneca närmar sig HASTE-projektet insamling, analys och tolkning av mikroskopibilddata på ett hierarkiskt sätt. Här används AI och deep learning för att utveckla effektiva beräkningsmetoder som kan ranka lågupplöst data enligt intelligenta spatiala och temporala informationshierarkier, med syftet att fokusera analysresurser efter relevans. Projektet stöds av SSF 2018–2023.

E-post: carolina.wahlby@it.uu.se

www.uu.se

Innovativt programmeringsspråk för smarta system

Carl Jidling, nybliven doktor inom projektet och Thomas Schön, Beijerprofessor i artificiell intelligens vid Uppsala universitet. Foto: Angelica Klang
Carl Jidling, nybliven doktor inom projektet och Thomas Schön, Beijerprofessor i artificiell intelligens vid Uppsala universitet. Foto: Angelica Klang

Maskininlärning har potentialen att göra system smarta. Ett problem är dock att experter inom många tillämpningsområden ofta inte har en tillräcklig bakgrundskunskap om de maskininlärningsmetoder som finns för att kunna göra ett aktivt val, och de har typiskt heller inte tiden att göra allt från grunden.

Inom ramen för forskningsprojektet ASSEMBLE vid Uppsala universitet och KTH har forskarna bland annat utvecklat nya innovativa metoder för maskininlärning samt ett modellbaserat probabilistiskt programmeringsspråk för smarta system.
ASSEMBLE är ett femårigt SSF-projekt som avslutas sommaren 2022. Resultatet från projektet gör det möjligt för systemingenjörer att designa smarta system med hög komplexitet med en betydligt mindre ansträngning än vad som tidigare krävts i form av programmering av algoritmer. Dessa abstraktioner kodas med hjälp av probabilistiska modeller som automatiskt kombineras med data och lämpliga maskininlärningsmetoder.
–Vi har skapat Birch, ett modellbaserat programmeringsspråk för smarta system. Med hjälp av programmeringsspråket kan man beskriva tillämpningsspecifika problem så att rätt maskininlärningsalgoritm sedan kan väljas automatiskt, säger Thomas Schön, Beijerprofessor i artificiell intelligens vid institutionen för informationsteknologi vid Uppsala universitet och vetenskaplig ledare för ASSEMBLE-projektet.

Används av biologer
Genom att använda sig av det modellbaserade probabilistiska programmeringsspråket Birch kan forskare och företag fokusera på själva innehållet snarare än att ägna sig åt det tidskrävande uppdraget att utforma algoritmer.
–Det programmeringsspråk vi utvecklat inom ramen för ASSEMBLE har exempelvis använts av biologer. Det har även överförts till näringslivet via en av projektets forskare som senare började arbeta på Uber AI. Vår ambition är att Birch ska användas och vidareutvecklas i såväl akademin som näringslivet framöver, säger Thomas Schön.

Spjutspetskompetens
I samarbete med Veoneer har forskarna genomfört studier som visar på resultatens direkta relevans för industrin.
–En viktig aspekt av projektet är det faktum att ett flertal doktorander med spjutspetskompetens inom maskininlärning kopplat till AI-algoritmer har utbildats under projektets gång. Dessa doktorander kan i sin tur föra vidare sin kompetens till svenska företag, säger Thomas Schön.

Klicka här för att läsa mer om ASSEMBLE

Uppsala universitet – ASSEMBLE smarta system

ASSEMBLE är ett femårigt SSF-projekt som avslutas 2022. Det är ett samarbete mellan Thomas Schön och David Black-Schaffer (vid Uppsala universitet), samt Joakim Jaldén och David Broman (vid KTH). Projektet handlar om att automatisera probabilistiska modeller av dynamiska system (och deras omgivning) via formellt definierade probabilistiska modelleringsspråk.

https://www.it.uu.se/research/assemble

Utvecklar biolim som ska laga framtidens frakturer

Michael Palmer, forskare och Håkan Engqvist, professor i tillämpad materialvetenskap vid Uppsala universitet. Foto: Mikael Wallerstedt
Michael Palmer, forskare och Håkan Engqvist, professor i tillämpad materialvetenskap vid Uppsala universitet. Foto: Mikael Wallerstedt

Håkan Engqvist, professor i tillämpad materialvetenskap vid Uppsala universitet leder ett SSF-finansierat forskningsprojekt med fokus på att laga bendefekter. Med hjälp av nya biomaterial siktar forskarna på att både återskapa ben och limma ihop frakturer.

SSF-projektet Syntes och processning av aktiva kalciumfosfatcement är inriktat på att utveckla injicerbara material som kan hjälpa kroppen att laga frakturer och andra bendefekter.
– Vi började med att utveckla ett syntetiskt cementliknande material där målet var att skapa ben. Längs vägen har vi fått ytterligare ett forskningsspår och siktar nu även på att kunna limma ihop benfragment, berättar Håkan Engqvist.
Biomaterialfältet är komplext och kräver samverkan mellan en rad olika vetenskapliga discipliner. Håkan Engqvist liknar projektets framdrift med en stafett där forskarna som är knutna till projektet ansvarar för pinnen i omgångar.
Molly Stevens, professor vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik vid Karolinska Institutet och Hélène Autefage, projektledare i Stevens grupp, är två av forskarna som deltar i projektet.
– Vår grupp har tillhandahållit nya kemiska metoder och avancerade karaktäriseringsmetoder för att försöka förstå hur cementen fungerar, säger Hélène Autefage.
Även Mattias Edén, professor i fysikalisk kemi vid Stockholms universitet, har en viktig roll i projektet. Hans forskargrupp har ansvarat för den materialvetenskapliga teorin. Till saken hör att Mattias Edén sedan länge har ägnat sin forskning åt NMR, kärnspinnresonans.
– Med hjälp av NMR får vi en bild av hur dessa material är uppbyggda över en atomär skala upp till ungefär en nanometer. Vi arbetar också med molekyldynamikssimuleringar som vi utvärderar tillsammans med experiment i syfte att försöka förstå varför det går att limma ihop två benbitar med ett cement som involverar både en organisk och en oorganisk del.

Två olika spår
Forskningsspåret med inriktning på att skapa nytt ben har redan kommit en bra bit på väg.
– Cementet finns och materialet fungerar kliniskt. Det biokeramiska implantatet har visat sig stimulera återväxt av naturligt skallben, så att även stora skalldefekter kan återställas på ett sätt som tidigare inte varit möjligt. Det som återstår att lösa är varför det fungerar, säger Peter Thomsen, läkare och professor i biomaterialvetenskap vid Göteborgs universitet.
Det andra forskningsspåret, att limma ben, har varit en större utmaning för projektgruppen.
– Här är vi precis på väg in i en större djurstudie, berättar Håkan Engqvist.
Samtliga forskare är överens om att tvärvetenskapen som genomsyrar hela projektet är en stor och viktig del av framgången. För Michael Palmer, som doktorerat inom ramen för projektet, har arbetet i forskningsgruppen bland annat inneburit ett helt nytt nätverk.
– Samarbetet med kolleger utanför mitt eget fält har gett min forskning en extra dimension.
Även Mattias Edén lyfter fram fördelarna med den multiprofessionalitet som präglar projektet.
– Här finns allt från väldigt fundamental forskning till direkta tester på djur och framtida nyttogörande på människor. Trots att min grupps arbete präglas av grundforskning är vi med hela vägen ända fram till klinik, vilket är ovanligt och väldigt roligt.
Peter Thomsen är av samma åsikt.
– Att vi använder ett osedvanligt brett spektrum av metoder är enormt inspirerande och jag är verkligen glad över att SSF har modet att satsa på den här typen av interdisciplinära projekt som kopplar ihop material och biologi. Det är också spännande att projektet består av personer i olika faser av karriären; här hittar du professorer, post-docs och doktorander i en och samma projektgrupp där alla lär av varandra, precis som det ska vara.

Till klinik
Håkan Engqvist konstaterar att samverkan inte bara är en framgångsfaktor utan de facto en absolut nödvändighet i projektet.
– Det är via samtalen vi kommer vidare intellektuellt, något som är svårt om man inte förstår vad som är frågan för den andra. Det långsiktiga målet är ju att ta vårt biomaterial till människa och då blir den här diskussionen otroligt viktig.
För framtiden hoppas han att projektets biobetong kommer att finnas i kliniskt bruk och användas för att limma ihop frakturer och där vävnadslimmet absorberas av kroppen allt efterhand som kroppen läker.
– För att ta vår biobetong ända fram till klinik krävs stora finansiella muskler. Men om allt går som vi vill och hoppas på kommer det att med tiden kunna ersätta metalltråd, skruvar och spik vid komplicerade benbrott, avslutar Håkan Engqvist.

Hélène Autefage, projektledare vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik vid KI, Molly Stevens, professor vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik vid KI, Mattias Edén, professor i fysikalisk kemi vid Stockholms universitet och Peter Thomsen, läkare och professor i biomaterialvetenskap vid Göteborgs universitet (Foto: Johan Wingborg).
Hélène Autefage, projektledare vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik vid KI, Molly Stevens, professor vid institutionen för medicinsk biokemi och biofysik vid KI, Mattias Edén, professor i fysikalisk kemi vid Stockholms universitet och Peter Thomsen, läkare och professor i biomaterialvetenskap vid Göteborgs universitet (Foto: Johan Wingborg).
UU – Biologiskt bencement

Forskningsprojektet Syntes och processning av aktiva kalciumfosfatcement stöds av SSF med 29 miljoner kronor 2016–2022. Det övergripande målet är att utveckla nya metoder för att syntetisera och processa råvaror för induktiva kalciumfosfatcement samt skapa cement för hårdvävnadsapplikationer. Nyckeln till framtida klinisk användning av de studerade materialen är att skapa förståelse för påverkan från process- och materialparametrar på samverkan mellan aktiva molekyler och omkringliggande ben samt deras effekt på själva cementen.

www.uu.se

Ny teknik för smartare antibiotikaanvändning

Dan I. Andersson, professor och föreståndare för Uppsala Antibiotic Center och Johan Elf, professor vid Institutionen för cell- och molekylärbiologi vid Uppsala universitet. Foto: Mikael Wallerstedt
Dan I. Andersson, professor och föreståndare för Uppsala Antibiotic Center och Johan Elf, professor vid Institutionen för cell- och molekylärbiologi vid Uppsala universitet. Foto: Mikael Wallerstedt

Antibiotikaresistens är ett globalt problem. Svenska forskare utvecklar nu metoder som snabbt kan separera bakterier från blod samt mäta bakteriers känslighet för antibiotika. Målet är att rädda liv, minska antibiotikaanvändning samt förebygga resistens­utveckling.

Den snabba utvecklingen av antibiotikaresistens är ett av världens största hot mot folkhälsan.
Varje år avlider nära en miljon människor av bland annat tarminfektioner, lunginflammation, tuberkulos och blodförgiftning (sepsis) på grund av att bakterier utvecklat resistens mot antibiotika. Om utvecklingen fortsätter riskerar vi att om inom några decennier få fler dödsfall i antibiotikaresistens än i cancer, enligt FN:s samordningsgrupp mot antimikrobiell resistens.
– Det är stora och svåra utmaningar vi står inför. Det finns ingen enkel universallösning, vi behöver breda perspektiv och nya angreppssätt. Det handlar bland annat om snabb diagnostik, nya typer av antibiotika, nya behandlingssätt och bättre användning av existerande och nya antibiotika, säger Dan I. Andersson, professor och föreståndare för Uppsala Antibiotic Center, ett virtuellt, tvärvetenskapligt och multidisciplinärt forskningscentrum.

Nya mätmetoder
Effektiv och rationell antibiotikaanvändning är en nödvändig förutsättning för modern sjukvård, exempelvis vid transplantationer, kirurgi, cancerbehandling samt brännskade- och neonatalvård.
– Tyvärr har bakterierna, under de cirka 80 år vi använt antibiotika, blivit alltmer motståndskraftiga. Vi har fått en farlig utveckling med omfattande resistensproblematik som innebär en ökad dödlighet i svåra infektionssjukdomar och en stor kostnad för samhället, säger Dan I. Andersson.
I ett pågående forskningsprojekt, som finansieras av Stiftelsen för strategisk forskning och kopplas till FN:s Agenda 2030-mål, arbetar nu forskare med att utveckla nya diagnostiska metoder. Syftet är att snabbare och med hög träffsäkerhet kunna identifiera och klassificera olika bakteriers känslighet mot antibiotika.
– De mycket känsliga mätmetoder vi utvecklat för att förstå hur bakterier fungerar på molekylnivå, använder vi nu för att ta reda på hur vi på bästa sätt kan ta död på dem, säger Johan Elf, professor vid Institutionen för cell- och molekylärbiologi vid Uppsala universitet.
Med hjälp av tekniker som fluorescensmikroskopi och mikrofluidik kan bakterierna artbestämmas och deras antibiotikakänslighet mätas. Tillväxten av enskilda celler mäts, dels i närvaro, dels i frånvaro av antibiotika.
– Om bakterierna slutar växa när de utsätts för antibiotika är de känsliga, och om de fortsätter att växa är de resistenta. Vi har utvecklat en snabbdiagnostik som gör det möjligt att få svar på vilka sorters bakterier som finns i provet och vilka av dem som är resistenta på ungefär en timme, säger Johan Elf.

AI och bildanalys
Med hjälp av AI, avancerad bildanalys samt in situ DNA-sekvenseringsmetoder hoppas forskargruppen att de ska lyckas utveckla en generell metod som på ett enkelt sätt kan att bestämma resistensprofil samt vilken bakterieart som orsakat infektionen.
Varje år insjuknar 40000 svenskar i blodförgiftning, cirka 6000 av dem avlider. Tiden till antibiotikabehandling är livsavgörande.
– När det gäller blodinfektioner räknas varje minut till behandling. Här är behovet av snabbdiagnostik helt avgörande. Den tekniska utmaningen är att snabbt isolera bakterier från blodet, artbestämma dem och göra en resistensbestämning. De metoderna utvecklar vi.
I slutänden hoppas forskargruppen att metoden kan automatiseras och användas av exempelvis hälso- och sjukvården, läkemedelsbolag som utvecklar nya antibiotika och forskargrupper som vill driva kliniska prövningar.
– Vårt långsiktiga mål är förstås att våra metoder ska minska dödligheten i sepsis. Vi hoppas också kunna bidra till en generellt minskad användning av antibiotika vid infektioner, minska resistensutveckling och att skapa bättre förutsättningar för forskande läkemedelsbolag att kunna testa nya antibiotikakandidater på mer effektiva sätt. Visionen är ytterst förstås att våra metoder ska minska lidande och rädda liv, säger Johan Elf.

Uppsala universitet – Antibiotic Center

”Ultrasnabb identifiering av bakteriearter och testning av känslighet för antibiotika” är ett femårigt forskningsprojekt vid Uppsala universitet. Det är ett samverkansprojekt och drivs av sex olika forskargrupper inom ramen för SSF-ARC programmet SSF Agenda 2030 Research Centers on Future Advanced Technology for Sustainability. Avsikten är att forskningen ska kopplas mot FN:s Agenda 2030-mål och bidra till att lösa några av de utmaningar mänskligheten står inför.

Kontakt:
Dan I. Andersson, professor vid Uppsala universitet samt föreståndare för Uppsala Antibiotic Center
E-post: Dan.Andersson@imbim.uu.se

Brutit ny mark och utvecklat nya verktyg för precisionsmedicin

Agneta Siegbahn, professor i klinisk koagulationsvetenskap vid Uppsala universitet. Foto: Mette Ottosson
Agneta Siegbahn, professor i klinisk koagulationsvetenskap vid Uppsala universitet. Foto: Mette Ottosson

I det SSF-finansierade ABC risk score-projektet har forskarna lyckats bryta ny vetenskaplig mark. Patientnyttan undersöks nu i en klinisk studie.
– Den stora styrkan i projektet är att allt arbete har haft en direkt koppling till patientnytta, säger Agneta Siegbahn, professor i klinisk koagulationsvetenskap vid Uppsala universitet.

Det har gått sex år sedan Agneta Siegbahn och hennes samarbetspartners fick 35 miljoner kronor i anslag av SSF för att med hjälp av biomarkörer ta fram kliniskt användbara redskap för att göra riskbedömningar och strategier för mer individbaserad behandling vid hjärt- och kärlsjukdom. Under de gångna åren har forskarteamet producerat inte mindre än 98 publikationer och därmed väsentligt överträffat målsättningen i projektet. En viktig förutsättning för framgången är det vetenskapliga arbete som föregått SSF-projektet där forskarteamet, tillsammans och var för sig, bland annat bedrivit stora studier som identifierat viktiga biomarkörer med association till hjärt- och kärlsjukdom.
En betydelsefull del av förhistorien är etableringen av laboratoriet vid Uppsala Kliniska Forskningscenter (UCR) och faciliteten för klinisk biomarköranalys vid SciLifeLab i Uppsala där Agneta Siegbahn spelat en nyckelroll i form av grundare och tidigare ledare för verksamheten. I ABC* risk score-projektet har forskarteamet under projektets gång publicerat fyra biomarkörbaserade riskmodeller som resulterat i nya verktyg för riskbedömning och behandlingsstrategier för patienter med kranskärlssjukdom och förmaksflimmer.

Pionjärarbete
Att lägga till biomarkörer i bedömningsunderlaget för den individuella risken att få stroke eller blödning hos patienter med folksjukdomen förmaksflimmer har inte varit helt okontroversiellt.
– När vi visat att biomarkörbaserade ABC-AF risk scores är helt överlägsna som bedömningsunderlag var en av de vanligaste frågorna om vi verkligen har råd att rutinmässigt mäta biomarkörer. De kliniska riskscores som används idag kräver nämligen inga blodprover. Men svaret är enkelt, biomarkörerna kostar förvånansvärt lite jämfört med att ge onödig eller felaktig behandling, säger Jonas Oldgren, professor och chef för Uppsala Kliniska Forskningscenter.
Just nu driver forskarteamet en klinisk studie där patienter med förmaksflimmer randomiseras till skräddarsydd behandling utifrån de nya biomarkörbaserade verktygen eller standardbehandling (se illustration nedan).
– Studien implementerar de resultat som ABC-projektet genererat. Pandemin har gjort att vi inte kunnat inkludera patienter i önskad takt men studien har redan blivit internationellt omtalad. Målet är att visa att vi faktiskt gör nytta för patienterna, säger Jonas Oldgren

Jonas Oldgren, professor och chef för Uppsala Kliniska Forskningscenter. Foto: Mikael Wallerstedt
Jonas Oldgren, professor och chef för Uppsala Kliniska Forskningscenter. Foto: Mikael Wallerstedt

Nya verktyg
I ABC-projektets experimentella del har avancerad molekylärbiologisk teknik bidragit till att identifiera nya biomarkörer och resulterat i utvecklingen av ett kvantitativt PEA-baserat instrument (Proximity Extension Assay), som för närvarande undersöks avseende klinisk betydelse. En ny metod för att kunna mäta så kallade extracellulära vesiklar, nanopartiklar från olika celler som cirkulerar i blodet och är bärare av en rad proteiner och genetiskt material, har också utvecklats inom ramen för SSF projektet. Denna metod har hittills använts i ett par studier av patienter med förmaksflimmer samt hos friska äldre personer.
De gångna årens arbete i projektet har gett upphov till en rad nya forskningsspår och studier som kan drivas vidare av yngre forskare. Det som vi redan har börjat med, mer experimentellt, är att studera innehållet i extracellulära vesiklar renade från blod från patienter med hjärt-kärlsjukdom. SSF-projektet har resulterat i ett mycket fint samarbete mellan grundforskning, klinisk forskning och industri säger Agneta Siegbahn.

Arbetet fortsätter
SSF-projektets finansiering är avslutad, men forskarteamets arbete med att identifiera nya biomarkörer och utveckla bättre riskscores vid olika hjärtsjukdomar fortsätter med oförminskad kraft.
– Troligen är även hjärtats funktion en viktig parameter i risken för att utveckla stroke och blödning, och vi ska i nästa steg addera en studie med magnetröntgen. Målet är att våra scores på sikt ska kunna fås i version 2.0 och 3.0, etcetera. Varje ny upplaga kommer att bidra med ännu en viktig pusselbit i arbetet med att ge varje hjärtpatient den mest optimala behandlingen med bäst effekt och minst risk, fastslår Agneta Siegbahn och Jonas Oldgren.

* ABC står för Age, Biomarkers och Clinical events

Bilden illustrerar balansen mellan stroke och blödningsrisk som grund för behandlingsrekommendationer med ABC AF-scores.
Bilden illustrerar balansen mellan stroke och blödningsrisk som grund för behandlingsrekommendationer med ABC AF-scores.
Uppsala universitet – ABC risk score

Projektet Biomarkörer i hjärt-kärlsjukdom – ABC risk score-projektet, bygger på biomarköranalyser i stora internationella material av patienter med etablerad hjärt-kärlsjukdom.
Nyckelpersoner i projektet är Agneta Siegbahn, professor i klinisk koagulationsvetenskap, Jonas Oldgren, professor i koagulationsforskning, Lars Wallentin, seniorprofessor i kardiologi samt Lars Lind, professor i medicin. Projektet har haft stöd från SSF med 35 miljoner kronor under åren 2015–2020.

www.uu.se

Systembiologisk metodik mot glioblastom

Ida Larsson, Emil Rosén och Rebecka Stockgard, doktorander vid Institutionen för immunologi, genetik och patologi. Foto: Johan Wahlgren
Ida Larsson, Emil Rosén och Rebecka Stockgard, doktorander vid Institutionen för immunologi, genetik och patologi. Foto: Johan Wahlgren

Vid Institutionen för Immunologi, genetik och patologi vid Uppsala universitet bedrivs en omfattande tvärvetenskaplig forskningssatsning som etablerar nya behandlingar mot hjärncancerformen glioblastom med hjälp av systembiologisk metodik. Målet med forskningen är att ta reda på vilken betydelse regleringen av geners aktivitet har i cancerceller.

Hjärntumören glioblastom är den vanligaste primära cancern i hjärnan, med få behandlingsalternativ och dålig prognos. Forskningssatsningen, som leds av professor Sven Nelander, kartlägger bland annat hur systembiologiska modeller som beskriver hur celler från en viss patient svarar på läkemedel eller genetiska störningar. Systembiologi innebär att vi kombinerar matematiska modeller, datorsimuleringar och experiment för att förstå komplexa biologiska system, exempelvis samspelet i en cell eller vävnad. Metoderna kommer att vara användbara för såväl cancerforskare som kliniska forskare. Den spetsmetodik som utvecklas kan även tillämpas på andra cancerformer. Till sin hjälp har forskarna en unik biobank med över 100 patientspecifika uppodlade cancerstamcellskulturer från glioblastompatienter.

Pusselbit i framtidens behandling
– Jag använder bildanalys för att kvantifiera och kartlägga invasiva egenskaper hos glioblastomceller. Genom att samla in bilddata som visualiserar cancercellernas karaktär strävar jag efter att identifiera biomarkörer som i framtiden kan behandlas med läkemedel. Med AI kan bilderna analyseras på ett sätt som inte varit möjligt tidigare, säger Emil Rosén, doktorand i Sven Nelanders forskargrupp.
– I mitt doktorandprojekt analyserar jag storskalig molekylär data och strävar efter att hitta ett sätt att mäta de subgrupper av tumörceller som snabbt kan skifta karaktär. Jag följer cellerna över tid för att se hur de ändrar funktion. Min forskning kan förhoppningsvis utgöra en pusselbit i arbetet med att utveckla framtidens individbaserade behandling för glioblastompatienter, säger Ida Larsson, doktorand i Sven Nelanders forskargrupp.
– I min forskning arbetar jag laborativt med att visualisera subgrupper av celler med bland annat CRISPR och fluorescerande proteiner. Vi vill undersöka bland annat hur subgrupperna påverkas när vi behandlar med läkemedel, och hur de påverkas när vi injicerar dem i en mus eller fisk. Ambitionen är att på ett enklare sätt visualisera de skiftningar som sker över tid eller vid behandlingar, säger Rebecka Stockgard, doktorand i Sven Nelanders forskargrupp.

Uppsala universitet– Integrativ cancerforskning

Nya integrativa strategier mot cancer i hjärnan, är en omfattande tvärvetenskaplig satsning för att etablera nya behandlingar mot glioblastom med hjälp av systembiologisk metodik. Forskningen stöds av Stiftelsen för strategisk forskning, Vetenskapsrådet, Cancerfonden och Barncancerfonden.

Sven Nelander
Professor i integrativ cancerforskning
Institutionen för immunologi, genetik och patologi, Uppsala universitet

E-post: sven.nelander@igp.uu.se
www.uu.se

Ökad säkerhet i sakernas internet

Bengt Jonsson, professor i datorteknik vid Uppsala universitet och Shahid Raza, enhetschef på RISE. Foto: Mikael Wallerstedt
Bengt Jonsson, professor i datorteknik vid Uppsala universitet och Shahid Raza, enhetschef på RISE. Foto: Mikael Wallerstedt

Sakernas internet är en central teknik i framtidens samhälle. Men den behöver bättre skydd från säkerhetsintrång. Forskningsprojektet aSSIsT skapar förutsättningar för att göra tekniken säkrare.

Genom sakernas internet, eller IoT från engelskans Internet of Things, kan allt från hushållsapparater till fordon och byggnader styras och överföra data över nätet. Trots att tekniken redan är en integrerad del av våra hem och arbetsplatser, har säkerheten hittills prioriterats ner till förmån för resurseffektivitet. Detta trots att dataintrång och felaktiga IoT-enheter kan orsaka stora skador för individer, företag, och samhälle. I media har man kunnat läsa om ett flertal attacker. Ett av de mest kända är Mirai, ett malware som förvandlade ett stort antal IoT-enheter till fjärrstyrda bots som orsakade omfattande överbelastningar på internet.
– Ett av våra syften är att skapa möjligheter att göra programvaran fri från säkerhetshål, säger Bengt Jonsson, projektledare för projektet aSSIsT och professor i datorteknik vid Institutionen för informationsteknologi vid Uppsala universitet.

Upptäcker säkerhetshål
aSSIsT, eller Säker programvara för sakernas internet, drivs vid Uppsala universitet i samarbete med RISE i Kista och är finansierat av SSF med ett femårigt anslag om 32 miljoner kronor. Projektet har sin ansats i de system som används i Sverige idag.
– Svårigheten är att program för IoT-system ofta är optimerade för att exekvera minnessnålt och effektivt, vilket gör att subtila programmeringsfel lätt smyger sig in. Ett av våra mål är därför att ta fram tekniker för testning som kan upptäcka så gott som alla buggar och säkerhetsbrister. Med vår starka bakgrund inom verifiering och testning har vi utvecklat tekniker som upptäckt ett antal säkerhetshål i IoT-programvara som används världen över, säger Bengt Jonsson.
En annan del av projektet utvecklar teknik för att kommunicera mellan så kallade trusted execution environments, det vill säga avskilda delar av en enhets processor där säkerhetskritiska beräkningar och data skyddas från både annan mjukvara som används av enheten och fysisk avläsning.
Slutligen utvecklar projektet även tekniker för små IoT-enheter utan elnät eller batteri. Enheterna, som utvinner sin energi ur till exempel solljus eller rörelse istället, är viktiga för framtidens system.
– De enheterna har inte skyddade zoner, det vill säga delar av minnet som är skyddat från yttre åtkomst. Det är en utmaning att implementera den typen av skydd på så små enheter. Så det vi tittar på är hur vi kan skydda data på den typen av enheter utan att de ska behöva bli orimligt dyra.

Uppsala universitet / RISE – aSSIsT

aSSIsT – Säker programvara för sakernas Internet
Drivs av Bengt Jonsson (projektledare) och Kostis Sagonas vid Uppsala universitet, tillsammans med Luca Mottola och Shahid Raza vid RISE, med SSF-anslag på 32 miljoner över fem år. Uppsala universitet och RISE har utvecklat flera teknologier inom IoT, bland annat Contiki, ett av de ledande operativsystemen för IoT-enheter.

www.uu.se

Här görs det omöjliga möjligt

Ulf Jansson, professor i oorganisk kemi vid Uppsala universitet. Foto: Dan Pettersson / DP-Bild
Ulf Jansson, professor i oorganisk kemi vid Uppsala universitet. Foto: Dan Pettersson / DP-Bild

– I samverkan med industrier och andra lärosäten gör vi det tidigare omöjliga möjligt. Grunden är lagd, nu är det bara en fråga om tid, fastslår Ulf Jansson, professor och forskningsledare för SSF-projektet Utveckling av processer och material i additiv tillverkning.

Additiv tillverkning, eller 3D-printning, har potential att fullständigt revolutionera villkoren för tillverkningsindustrin. I ett tvärvetenskapligt samarbete mellan Uppsala universitet, Luleå tekniska universitet och Malmö universitet arbetar forskarna med att utveckla experimentella och beräkningsvetenskapliga metoder för att studera samband mellan process, mikrostruktur och egenskaper. I ett forskningsspår studeras en ny typ av additiv tillverkning där laser används för att smälta pulver, något som orsakar oerhört höga avsvalningshastigheter.
– Detta är en helt ny typ av fenomen vid materialtillverkning som reser en rad intressanta frågeställningar. Vi arbetar nu med att utveckla metoder med vars hjälp vi kan styra lasern och därmed kontrollera uppbyggnaden av materialet, säger Ulf Jansson, professor i oorganisk kemi vid Uppsala universitet.

Kräver modellering
I nästa steg siktar forskarna på att framställa helt nya material.
– Vi har bland annat jobbat med att framställa metallglas, som normalt sett är i det närmaste omöjligt beroende på de extremt höga avkylningshastigheter som krävs. Dessa kan vi nu åstadkomma med den nya additiva tillverkningstekniken som därmed erbjuder helt nya möjligheter att printa komponenter i metallglas. För att nå ända fram behöver vi dock hjälp med att modellera temperaturgradienter och andra viktiga tillverkningsparametrar.
Hjälpen kommer i det här fallet från Luleå och Malmö där forskare arbetar med modellering och simulering av processen.
– Vårt mål är att genom datorsimulering av tillverkningsprocessen vara ett stöd i framtagningen av nya material. Med hjälp av simulering kan vi både ta fram de temperaturgradienter som krävs för att få de önskade egenskaperna i mikrostrukturen samt prediktera de spänningar och deformationer som uppstår i processerna, säger Andreas Lundbäck, biträdande professor vid LTU.
Projektet har utmynnat i flera industrisamarbeten och gett ringar på vattnet i form av en masterutbildning och stora satsningar på Teknisk-Naturvetenskapliga fakulteten i Uppsala. En viktig del i projektet har också varit att utnyttja nya metoder som till exempel neutronspridning där Sverige satsar stort med den nya ESS-anläggningen i Lund.

UU – Additiv tillverkning

SSF-projektet Utveckling av processer och material i additiv tillverkning syftar till att överbrygga klyftan mellan grundläggande vetenskap och produktion inom additiv tillverkning. Projektets huvudambition är att utveckla och tillämpa nya processer och modeller för att förutsäga och bygga AM-komponenter med specifika mikrostrukturer och egenskaper som kan användas i generisk industriell produktion.

Forskningsprogrammet i oorganisk kemi
Ångströmlaboratoriet
Lägerhyddsvägen 1
751 21 Uppsala
www.uu.se