Archiv der Kategorie: Hochschule

Weltweit erster Einsatz eines Laser-Knochenschneid-Roboters

Veröffentlicht am von

Medienmitteilung der Universität Basel vom 12.09.2016

Das Universitätsspital Basel nimmt als weltweit erstes Spital einen Roboter in Betrieb, der mittels Laser Knochen schneidet. Roboter «Carlo» – hergestellt von einem Spin-Off der Universität und des Universitätsspitals Basel – kann für sämtliche Knochenschnitte eingesetzt werden. Vorerst handelt es sich um einen Forschungs-Roboter, der bis 2018 für die klinische Anwendung zertifiziert werden soll.

«Carlo» ist längst kein Unbekannter mehr. Er hat mehrere Preise gewonnen und zahlreiche Medien haben schon über ihn berichtet. Bisher wurde die Konstruktion des Knochenschneid-Roboters in Labors vorangetrieben. Nun aber ist die Entwicklung einen entscheidenden Schritt weitergekommen, denn «Carlo» ist jetzt für die Anwendungsforschung einsatzbereit.

Den ersten lieferbaren Forschungs-Carlo nimmt das Universitätsspital Basel in Betrieb. Hergestellt wird der Roboter von der Firma Advanced Osteotomy Tools AG AOT, einem Spin-Off der Universität Basel und des Universitätsspitals Basel. Bis zum ersten klinischen Einsatz von «Carlo» sind noch einige Hürden zu nehmen. Noch im laufenden Jahr werden die präklinischen und 2017 die klinischen Versuche über die Bühne gehen. Läuft alles nach Plan ist für 2018 die Zertifizierung vorgesehen. Erst dann wäre der Weg frei, dass der Laserstrahl von «Carlo» erstmals Knochen von Patientinnen und Patienten schneiden könnte.

Neue Dimension erreicht

Die Vorteile, die «Carlo» im klinischen Einsatz verspricht, sind äusserst verheissungsvoll: Mit einer Schnittbreite von nur 0,2 Millimeter sind die Knochenschnitte fünf bis zehn Mal feiner als jene einer konventionellen oszillierenden Knochensäge. Kommt hinzu, dass «Carlo» auch Wellenlinien, Zickzackmuster, Kurven, S-Formen oder puzzleförmige Teile schneiden kann. Damit lassen sich Knochen besser wieder zusammenfügen, was die Heilung wesentlich beschleunigt, weniger Komplikationen zur Folge hat und die Stabilität der Knochen-Rekonstruktion stärkt. «Carlo» hat aber auch ganz praktische Vorteile, denn für den Schnitt sind keine Instrumente nötig, die gereinigt, kontrolliert, gewartet und steril verpackt werden müssen.

«Carlo» steht für Cold Ablation Robot-guided Laser Osteotome. Gesteuert wird der Roboter von einem Computer, den ein Chirurg ausgehend von einer Computertomographie für die Operation programmiert. Anschliessend führt der einarmige «Carlo» unter Aufsicht des Chirurgen den Schnitt mittels Laserstrahl selbständig, präzise und kontaktfrei durch. Bisher liessen sich Knochen nicht mit Laser schneiden, weil die erzeugte Hitze das Knochengewebe beschädigte. Mit den Möglichkeiten, die «Carlo» eröffnet, kann die Medizintechnologie eine neue Dimension erreichen.

Externer Link: www.unibas.ch

TU Wien entwickelt Chip für neuartige Wärmebildkamera

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der TU Wien vom 16.08.2016

Ein Quanten-Chip, der Infrarotbilder aufnehmen kann – und zwar schneller und ohne aufwändige Kühlung: Eine Erfindung der TU Wien verspricht spannende Anwendungsmöglichkeiten.

Ein Schiff ist gekentert – weit draußen am Meer. Schwimmen irgendwo noch hilfesuchende Überlebende herum? Mit einer Wärmebildkamera, auf einer Drohne montiert, lässt sich das auch bei Nacht rasch feststellen. Doch für Kameras, die Infrarotstrahlung detektieren, gibt es auch noch viele andere Einsatzszenarien. Man könnte sie zum Beispiel in der Umwelttechnik verwenden, um bestimmte Chemikalien nachzuweisen. An der TU Wien gelang es nun, einen neuartigen Infrarot-Detektor zu entwickeln, der mehrere Vorteile vereint: Er ist schnell, muss nicht gekühlt werden und lässt sich ganz spezifisch auf bestimmte Wellenlängen optimieren.

Wärme und Quanten

„Grundsätzlich gibt es heute zwei Typen von Detektoren für Infrarotstrahlung“, erklärt der Elektrotechniker Prof. Gottfried Strasser, Leiter des Zentrums für Mikro- und Nanostrukturen an der TU Wien. „Thermische Detektoren, die auf Wärme reagieren, und photonische Detektoren, in denen die einfallende Strahlung quantenphysikalische Prozesse auslöst.“

Zur ersten Gruppe gehören die sogenannten Bolometer. Sie enthalten elektronische Bauteile, die von der Strahlung erwärmt werden und dadurch ihren elektrischen Widerstand ändern. Das geht nicht besonders schnell und nicht besonders präzise, aber es genügt, um beispielsweise ein Wärmebild eines Gebäudes zu erstellen und zu sehen, an welchen Stellen die Wärmedämmung verbessert werden muss.

Photonische Detektoren hingegen funktionieren ganz anders: In ihnen wird Infrarotlicht absorbiert, Elektronen werden dadurch in einen höheren Energiezustand versetzt, und diese Zustandsänderung der Elektronen wird dann gemessen. „Ein großes Problem dabei ist allerdings der Dunkelstrom“, sagt Strasser. „Auch wenn gar keine Infrarotstrahlung auf den Detektor trifft – ein gewisses Hintergrundsignal, ein permanentes Grundrauschen bekommt man immer.“

Das hat damit zu tun, dass man an diese Detektoren eine Spannung anlegen muss. Der Detektor wird warm, durch Wärmeprozesse im Detektormaterial werden dieselben elektronischen Vorgänge ausgelöst wie durch das Infrarotlicht, das man eigentlich detektieren möchte. Ab einer gewissen Temperatur wird der Detektor unbrauchbar, daher kühlt man die Geräte meist mit flüssigem Stickstoff. Wenn eine aufwändige Kühlung nötig ist, werden die Detektoren allerdings teuer, groß und schwer.

Quantenkaskaden-Detektor

An der TU Wien ging man einen anderen Weg: Man baute einen Array aus Quantenkaskaden-Detektoren. Sie bestehen aus mehreren Schichten mit jeweils unterschiedlichen elektronischen Eigenschaften. Spannung muss keine angelegt werden, das Bildrauschen ist gering, eine Kühlung ist nicht nötig.

Hergestellt wurde ein Detektor-Chip mit 8×8 Pixeln, der auf Infrarotstrahlung mit einer Wellenlänge von 4,3µm reagiert. „Es ging darum, das Prinzip zu demonstrieren, ein Hochskalieren auf eine höhere Pixel-Anzahl wäre technisch kein Problem“, sagt Gottfried Strasser. Auch die Wellenlänge, auf die der Detektor optimiert ist, lässt sich gezielt anpassen. Das bietet besonders interessante Möglichkeiten:

Infrarotstrahlung kann Moleküle nämlich zu bestimmten Vibrationen oder Rotationen anregen. Zu jeder dieser Anregungen gehört eine ganz bestimmte Wellenlänge. Daher können unterschiedliche Moleküle unterschiedliche Infrarot-Wellenlängen absorbieren, jedes Molekül hat einen ganz spezifischen Infrarot-Fingerabdruck, anhand dessen man es zweifelsfrei identifizieren kann. Eine Infrarot-Kamera, die hochspezifisch Strahlung mit ganz bestimmten Wellenlängen abbildet, könnte man daher nutzen, um auf einen Blick die Verteilung unterschiedlicher Moleküle zu ermitteln. (Florian Aigner)

Externer Link: www.tuwien.ac.at

Basler Forscher schauen Katalysator bei der Arbeit zu

Veröffentlicht am von

Medienmitteilung der Universität Basel vom 17.08.2016

Physikern der Universität Basel ist es erstmals gelungen, mithilfe eines Rasterkraftmikroskops einem Silberkatalysator bei der Arbeit zuzusehen. Aus den Beobachtungen während einer sogenannten Ullmann-Reaktion können die Forscher deren Energieumsatz berechnen und die Katalyse damit möglicherweise optimieren. Die Studie, die mit Fachkollegen aus Japan und dem Iran entstand, wurde in der Wissenschaftszeitschrift «Small» veröffentlicht.

Die untersuchte Ullmann-Reaktion ist eine chemische Reaktion, bei der Silberatome die Bindung von zwei Kohlenstoffatomen katalysieren, an denen vorher Iod gebunden war. Obwohl diese Art der Reaktion schon seit 1901 bekannt ist und für zahlreiche wichtige chemische Umwandlungen angewendet wird, konnte das Zwischenprodukt dieser Reaktion bisher nicht genau beobachtet werden.

Dieses Zwischenprodukt haben nun Forscher um Prof. Ernst Meyer und Dr. Shigeki Kawai vom Swiss Nanoscience Institute und dem Departement Physik der Universität Basel mithilfe eines Rasterkraftmikroskops in atomarer Auflösung dargestellt.

Überraschenderweise zeigte sich, dass die Silberatome schon bei Temperaturen von etwa –120 °C  mit den Molekülen reagieren und gekrümmt wie eine Brücke über einen Fluss erscheinen. Im zweiten Schritt der Reaktion, der eine Temperaturerhöhung auf etwa 105 °C benötigt und zum Endprodukt führt, werden die Silberatome wieder frei und zwei Kohlenstoffatomen binden aneinander.

Energieberechnung möglich

Die Ullmann-Reaktion wird schon seit Langem für chemische Synthesen genutzt. In jüngster Zeit hat sich das Interesse an dieser Kopplung von Kohlenstoffatomen weiter verstärkt, da damit organische Moleküle an Oberflächen gebunden und lösungsmittelfrei Polymere hergestellt werden. Eine genaue Beobachtung der Arbeit des eingesetzten Katalysators lässt die Wissenschaftler den Ablauf der Reaktion besser verstehen.

Bisherige Analysen konnten die räumliche Anordnung des metallorganischen Zwischenprodukts nicht zeigen. Erst die jetzt erhaltenen detailgenauen Aufnahmen ermöglichten dem Projektpartner Prof. Stefan Goedecker vom Departement Physik der Universität Basel, den Energieumsatz der untersuchten Ullmann-Reaktion zu berechnen. Diese Daten bestätigten die ungewöhnliche räumliche Anordnung des Zwischenprodukts und liefern Hinweise zur Optimierung der Reaktion.

Relativ geringe Temperaturen

Es liegt wahrscheinlich an der beobachteten Krümmung  bzw. Flexibilität der Moleküle, dass die Reaktion relativ geringe Temperaturen von 105 °C benötigt. Die Moleküle stehen unter mechanischer Spannung und können somit leichter reagieren, also bei geringeren Temperaturen. Wenn es gelänge, auch mit andern Katalysatoren solche unter Spannung stehende Zwischenprodukte zu erreichen, könnten katalytische Reaktionen auch bei tieferen Temperaturen möglich werden. Dies wäre ökologisch und ökonomisch sinnvoll, da klassische Katalysatoren mit Platin, Rhodium oder Palladium oft hohe Betriebstemperaturen von 500 °C benötigen – was zur Emission von Abgasen im kalten Zustand führt.

Die Forschungsarbeiten wurden im Rahmen einer Kooperation zwischen dem Departement Physik der Universität Basel, dem National Institute of Materials Science (Japan), der Japan Science and Technology Agency (Japan), der University of Tokyo (Japan) und der Shadid Beheshti University (Iran) durchgeführt.

Originalarbeit:
Shigeki Kawai, Ali Sadeghi, Toshihiro Okamoto, Chikahiko Mitsui, Rémy Pawlak, Tobias Meier, Jun Takeya, Stefan Goedecker and Ernst Meyer
Organometallic Bonding in an Ullmann-Type On-Surface Chemical Reaction Studied by High-Resolution Atomic Force Microscopy
Small (2016), DOI: 10.1002/smll.201601216

Externer Link: www.unibas.ch

Omega-3-Fettsäuren gegen Gefäßverkalkung

Veröffentlicht am von

Presseinformation der LMU München vom 22.08.2016

Neue Strategie gegen Atherosklerose: LMU-Forscher setzen darauf, körpereigene heilungsfördernde Prozesse zu aktivieren.

Atherosklerose – umgangssprachlich auch als Gefäßverkalkung bekannt – entsteht, wenn Ablagerungen in den Gefäßinnenwänden zu chronischen Entzündungen führen und die Gefäße verengen. Das kann den Blutfluss behindern oder ganz blockieren und schließlich einen Herzinfarkt oder Schlaganfall auslösen. Bisherige Behandlungsstrategien zielen hauptsächlich darauf ab, die Entzündungsreaktion zu hemmen. LMU-Forscher um Professor Oliver Söhnlein vom Institut für Prophylaxe und Epidemiologie der Kreislaufkrankheiten der LMU haben nun eine völlig neue therapeutische Strategie entwickelt, die darauf abzielt, körpereigene heilungsfördernde Prozesse zu aktivieren. Wirkstoffe, die unter anderem in Fischöl enthalten sind, spielen dabei eine wichtige Rolle. Sie konnten im Mausmodell Atherosklerose mindern. Über ihre Ergebnisse berichten die Wissenschaftler im Fachmagazin Circulation Research.

Forschungsergebnisse der letzten Jahre haben gezeigt, dass nicht nur die Entstehung, sondern auch das Beenden von Entzündungen ein aktiver Prozess der Immunabwehr ist. „Bei Atherosklerose ist dieses ‘Entzündungs-Beendigungs-Programm‘ gestört, sodass die Entzündung chronifiziert“, sagt Oliver Söhnlein. Für den Entzündungsverlauf sind spezielle Signalmoleküle, die aus essenziellen Fettsäuren gebildet werden, sogenannte Lipidmediatoren, entscheidend: Bei akuten Entzündungen sind zunächst entzündungsfördernde Lipidmediatoren aktiv. Zum Stoppen der Reaktion übernehmen entzündungshemmende Lipidmediatoren die Regulation. Damit dieser Prozess funktioniert, müssen beide Arten von Lipidmediatoren in einem ausgewogenen Verhältnis vorhanden sein.

„Wir konnten nun zeigen, dass diese Balance bei Atherosklerose gestört ist“, sagt Söhnlein. Normalerweise sollten Entzündungsreaktionen nach Ablauf der akuten Phase gestoppt werden, indem die Konzentration der entzündungshemmenden Lipidmediatoren ansteigt. Stattdessen war das Gegenteil der Fall: Wie die Wissenschaftler zeigen konnten, nahmen in atherosklerotischem Gewebe die Lipidmediatoren mit fortschreitender Entzündung sogar ab. „Durch die Zugabe der entzündungshemmenden Lipidmediatoren Maresin 1 und Resolvin D2 konnten wir im Mausmodell diese Imbalance korrigieren und Atherosklerose mindern“, sagt Söhnlein. Maresin 1 und Resolvin D2 werden aus essenziellen Omega-3-Fettsäuren gebildet, die unter anderem in Fischöl enthalten sind, dem schon lange eine gesundheitsfördernde Wirkung nachgesagt wird.

Funktional gesehen beeinflussen die Wissenschaftler mit den Lipidmediatoren die Fresszellen des Immunsystems, die Makrophagen: Makrophagen sammeln sich an atherosklerotischen Plaques an und können einerseits zum Fortschreiten der Entzündung beitragen, da sie sich an Blutfetten überfressen und selbst zugrunde gehen können. Andererseits haben sie aber auch eine wichtige Funktion bei der Heilung entzündeten Gewebes, da sie abgestorbene Zellen entfernen und die Vermehrung glatter Muskelzellen anstoßen. „Die Zugabe der Lipidmediatoren fördert diese entzündungsmindernde Wirkung, lenkt die Aktivität der Makrophagen also in eine gewünschte Richtung“, sagt Söhnlein. „Es wäre wünschenswert, in zukünftigen Studien zu untersuchen, ob die im Mausmodell gewonnenen Erkenntnisse auch auf Menschen übertragbar sind.“

Publikation:
Circulation Research 2016

Externer Link: www.uni-muenchen.de

Huckepack-Batterie für Mikrochips: TU Graz-Forscher realisieren neues Batteriekonzept

Veröffentlicht am von

Presseaussendung der TU Graz vom 17.08.2016

Elektrochemikern der TU Graz ist es gelungen, einkristallines Halbleitersilizium als aktive Speicherelektrode in Lithium-Batterien einzusetzen. Dies ermöglicht die integrierte Energieversorgung von Mikrochips mit einer wieder aufladbaren Batterie.

Elektronische Kleingeräte wie Handys, Tablets oder Notebooks sind heute unerlässliche Begleiter durch den Alltag. Im Inneren dieser Geräte überwachen, steuern und regeln integrierte Schaltkreise auf Silizium-Chips die mannigfaltigsten Prozesse. Klare Tendenz in der Mikroelektronik: noch kleiner, mobiler und vielfältiger. Hier liegt die Bedeutung der nun in Scientific Reports veröffentlichten Forschungsergebnisse des Forschungsteams rund um Michael Sternad und Martin Wilkening vom Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien am Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz: die on-board Energieversorgung eines Mikrochips könnte das Anwendungsspektrum der Mikroelektronik deutlich erweitern.

Mini-Batterie für Mikrochips

Als Ergebnis mehrjähriger Grundlagenforschung am CD-Labor für Lithium-Batterien an der TU Graz konnte nun gezeigt werden, wie einkristallines Silizium, aus dem der Mikrochip besteht, direkt als Batterieelektrode (Anode) genutzt werden kann. Damit beherbergt der Mikrochip nicht nur die Elektronik, sondern ist gleichzeitig der wesentliche Teil einer Mini-Batterie, die elektrische Energie z.B. zum Senden und Empfangen von Informationen bereitstellt. „Normalerweise kann man Einkristall-Silizium nicht ohne weiteres als Batteriekomponente verwenden, da es sich bei der Umsetzung mit Lithium stark ausdehnt, Risse bekommt und allmählich zerstört wird“ erklärt Michael Sternad, Mitarbeiter am Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien an der TU Graz. „Wir nutzen direkt das dotierte Halbleitersilizium des Chips. Dazu wird es jedoch vorher gezielt unter Kenntnis der Kristallachsen mikrostrukturiert und dann elektrochemisch in besonderer Weise aktiviert,“ erläutert Michael Sternad.

Leistungsstark und kostengünstig

Neben der enormen Speicherkapazität (mehr als 1000 mAh/g) und einer hohen Stromeffizienz (Coulomb Effizienz >98.8 %) der Siliziumelektrode, war für die Forschenden insbesondere die Tatsache überraschend, dass die kleinen Silizium-Türme, aus denen die Anode der Lithium-Batterie besteht, mehr als 100 volle Lade- und Entladezyklen bei nur wenigen Prozent Kapazitätsverlust überstehen. Damit übertrifft die elektrochemische Lebensdauer der Mikrobatterie jedenfalls die durchschnittliche Einsatzdauer eines Sensors oder einer Sonde. Martin Wilkening, Leiter des Instituts für Chemische Technologie von Materialien sowie des CD-Labors für Lithium-Batterien zeigt sich begeistert von diesem Mini-Kraftwerk: „Die Mikrobatterie ist nur wenige Millimeter groß und erreicht Leistungsstärken, die mit den besten heutzutage erhältlichen Li-Ionenbatteriesystemen konkurrieren können. Zudem könnten auf einem Halbleiter-Si-Wafer mehrere tausend Zellen parallelisiert hergestellt werden, so dass Stückpreise von wenigen Cent erreichbar wären.“

Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien – Alterungseffekte, Technologie und Neue Materialien

Das Christian Doppler-Labor für Lithium-Batterien am Institut für Chemische Technologie von Materialien der TU Graz wurde 2012 gegründet und widmet sich unter anderem neuen Konzepten für Lithium-Batterien. Neben Si-Mikrobatterien werden insbesondere Li-Festkörperbatterien untersucht. Unternehmenspartner des CD-Labors sind AVL List GmbH und Infineon Technologies Austria AG.

An der TU Graz ist die Batterien-Forschung im Field of Expertise „Advanced Materials Science“ verankert, einem von fünf strategischen Forschungsschwerpunkten. (Barbara Gigler)

Externer Link: www.tugraz.at