,

Orgaan-op-een-chip krijgt miljoenenbeurs voor stap van lab naar fab

NWO-Perspectief-subsidie van 4,8 miljoen euro voor breed consortium onder leiding van TU/e-hoogleraar Jaap den Toonder om een hoognodige universele standaard voor de farmaceutische industrie te ontwikkelen.

Klik op de afbeelding om het NWO-filmpje te bekijken. Afbeelding: hDMT.

Wetenschappers bouwen voortvarend aan zogeheten ‘organen-op-chips’; kleine chips met menselijke cellen, om bijvoorbeeld kankeruitzaaiingen in de bloedbaan of de ontwikkeling van littekenweefsel te bestuderen, of om het effect van medicijnen of voeding buiten een mensenlichaam te testen. Om de stap naar de industrie te zetten, gaat een collectief van tientallen onderzoeksgroepen, bedrijven en kennisinstellingen, samengebracht door het orgaan-op-chip consortium hDMT, bouwen aan een universele standaard, ondersteund door een NWO-Perspectief-subsidie van bijna vijf miljoen euro. Het uiteindelijke doel in de toekomst: het aan elkaar koppelen van meerdere orgaanchips om een heel lichaam te kunnen simuleren.

Wie bij chips alleen maar aan computers denkt, komt tegenwoordig bedrogen uit. Een orgaan-op-een-chip bestaat meestal uit een plastic plaatje met geïntegreerde microkanaaltjes en -kamertjes. Binnenin groeien complexe weefsels van menselijke cellen in een omgeving die het menselijk lichaam nabootst maar met het blote oog nauwelijks zichtbaar is.

Een minieme hoeveelheid vloeistof stroomt langs de levende cellen om ze van voedingsstoffen te voorzien. Een pompje zorgt voor de aan- en afvoer ervan. Sensoren in de chip meten hoe de cellen reageren en actuatoren brengen veranderingen aan. Bijvoorbeeld een andere druk, mechanische kracht, zuurstofniveau of stroomsnelheid.

Een voorbeeld van een orgaan-op-een-chip, een plastic plaatje met geïntegreerde microkanaaltjes waarin complexe weefsels van levende cellen bestudeerd kunnen worden. Foto: Bart van Overbeeke, TU Eindhoven.

Door vervolgens een medicijn, voedingsmiddel of cosmetisch product toe te voegen, kunnen de onderzoekers nagaan hoe de weefsels hierop reageren. De chip past perfect onder een lichtmicroscoop, om eenvoudig én live het proces te kunnen volgen.

Opschaling stokt door ontbreken universele standaard

Op dit moment worden de chips vooral gebruikt door onderzoekers, om beter te begrijpen hoe de cellen zich gedragen in hun micro-omgeving of hoe ziektes zich ontwikkelen en zich door het lichaam verspreiden. In Eindhoven werken ze bijvoorbeeld aan kanker-op-een-chip (zie het filmpje hieronder) en aan zenuwstelsel-op-een chip.

In dit filmpje is te zien hoe de kankercellen uit het eerste orgaan uitzaaien via de bloedbaan, om zich vervolgens te nestelen en te vermeerderen in het tweede orgaan. Via deze orgaan-op-een-chiptoepassing kunnen onderzoekers nauwkeurig volgen wat er gebeurt, om zo het proces van kankeruitzaaiingen beter te begrijpen. Animatie: ICMS animatiestudio. 

Van grootschalig gebruik door farmaceuten is nog geen sprake omdat een universele standaard ontbreekt. Er zijn namelijk vele soorten chips, elk met een ander ontwerp, afmeting en van een ander materiaal. Bovendien zijn de chips moeilijk in te passen in de pijplijn van de farmaceutische industrie en is de opschaling naar grotere aantallen erg lastig. Kortom: ze zijn ontwikkeld voor onderzoek, niet voor de industrie.

Daar willen tien onderzoeksgroepen van acht universiteiten, verenigd in het Nederlandse orgaan-op-chip consortium hDMT, nu verandering in brengen. Dit doen zij samen met 21 bedrijven, drie kennisinstellingen en twee stichtingen. Onder leiding van hoogleraar Microsystemen Jaap den Toonder van de TU Eindhoven gaan ze een gestandaardiseerd en modulair platform ontwikkelen voor organen-op-chips: de ‘SMART Organ-on-Chip’. Daarvoor ontvingen ze op 10 maart de ‘Perspectief’-subsidie van NWO van 3,4 miljoen euro. De partners investeren daarnaast ook nog eens 1,4 miljoen euro in het project.

Schadelijke medicijnen vallen eerder af

Farmaceuten kunnen veel baat hebben bij het gestandaardiseerde platform. De ontwikkeling van een nieuw medicijn kost namelijk minimaal 10 jaar en miljarden euro’s. Dat langdurige en kostbare proces is het gevolg van de verschillende fasen die het nieuwe geneesmiddel moet doorlopen. En 80% van de veelbelovende medicijnen valt in de laatste fase alsnog af.

Den Toonder: “Als je de medicijnen direct kunt uittesten op een realistisch menselijk orgaan-op-een-chip model, waarbij de complexiteit van het lichaam meteen wordt meegenomen, dan kun je schadelijke of niet-werkende medicijnen veel eerder in het proces elimineren zodat veel kosten worden bespaard”.

Chips aan elkaar koppelen

Om de chips te kunnen standaardiseren bouwen de onderzoekers een ‘docking’-plaat met een standaardafmeting, waarin de vloeistofkanalen en de elektronica zitten. Vervolgens kunnen de chips er als modules op worden geklikt.

Zo zijn er weefselchips waarop de cellen in de juiste micro-omgeving zitten, en technische chips met innovatieve vloeistofpompjes en fysische en chemische sensoren. Den Toonder: “Dat maakt het systeem flexibel, je kunt de chips er in elke gewenste combinatie op klikken, afhankelijk van het type orgaan dat je wilt onderzoeken en de vraag die je wilt beantwoorden.”

Een visuele representatie van één weefselchip van huid en haar, en twee technische chips, die precies op de ‘docking’-plaat en aan elkaar kunnen worden geklikt. Afbeelding: hDMT.

Het hele systeem sluit aan bij de farmaceutische processen en biomedische R&D. Bijvoorbeeld om te kunnen werken met pipetteerrobots en ingewikkelde microscopische technieken. Bovendien wordt het een toegankelijke ‘open-technologie’, zodat ook andere bedrijven hun eigen toepassingen kunnen ontwikkelen en toevoegen aan het bestaande platform.

Den Toonder: “Door verschillende orgaan-op-een-chip modellen aan elkaar te koppelen, kunnen we uiteindelijk ook de interacties tussen organen nabootsen. Dat is heel belangrijk, want organen functioneren in een lichaam niet op zichzelf. We hopen op termijn chips van alle organen van het menselijk lichaam te kunnen ontwikkelen, koppelen en onderzoeken. Onze uiteindelijke droom is dan ook een lichaam-op-een-chip, waarmee je bijvoorbeeld de werking van een nieuw medicijn in alle organen kunt bestuderen. Zo kun je tegelijk zien of de lever het medicijn niet afbreekt, of de darmen niet beschadigen en of er geen hartproblemen ontstaan.”

Littekens bestuderen

De onderzoekers richten zich in het Perspectief-programma in het bijzonder op de ontwikkeling van littekenweefsel: fibrose. Naast mooi geheelde littekens, schiet fibrosevorming bij organen soms door tot woekerende bindweefselgezwellen. Daarbij speelt de omgeving van het orgaan een grote rol. Het is daarom cruciaal om bij het bestuderen van dit proces die omgeving mee te nemen in de orgaan-op-een-chipmodellen.

Juist die complexiteit heeft tot nu toe een goed model om fibrose te bestuderen in de weg gestaan. Het team bouwt daarom nu weefselchips van darm, huid en gewrichten om de processen op systeemniveau te kunnen bestuderen.

Een visuele representatie van de universele standaard in de praktijk. De docking-plaat met daarop drie chips, past precies onder een eenvoudige microscoop. Via de computer worden de verschillende sensoren en actuatoren aangestuurd. Afbeelding: hDMT.

Den Toonder: “De NWO-Perspectief-subsidie geeft ons de mogelijkheid om de brede multidisciplinaire groep wetenschappers die je nodig hebt voor zo’n ontwikkeling samen te brengen met industriële partners, van maakindustrie tot eindgebruikers.” Den Toonder werkt als werktuigbouwkundige aan de TU Eindhoven zelf binnen het Institute for Complex Molecular Systems (ICMS).

Het juiste medicijn voor die ene patiënt

Naast de farmaceutische industrie, kan ook het opkomende onderzoeksveld van gepersonaliseerde geneeskunde flink profiteren van de gestandaardiseerde orgaan-op-een-chip-technologie. Medicijnen worden nu ontwikkeld voor de gemiddelde persoon, en werken als je geluk hebt maar bij één op de vier mensen. Er zijn zelfs medicijnen op de markt die maar bij één op de twintig personen aanslaan. Als je een paar potentiële medicijnen vooraf kunt uittesten op cellen van die patiënt waarvoor je de behandeling zoekt, kun je direct het juiste medicijn voor de juiste persoon toedienen.

Maar ook buiten de gezondheidszorg vinden de nieuwe chips een industriële toepassing. Denk bijvoorbeeld aan een huid-op-een-chip waar je de bijwerkingen van cosmetica kunt uittesten, of een darm-op-een-chip om allergieën voor een nieuw voedingsmiddel te toetsen. Een bonus van orgaan-op-een-chiptechnologie is dat het aantal dierproeven op termijn flink teruggebracht kan worden.

Het Nederlandse orgaan-op-chip consortium hDMT heeft de volgende partners voor dit NWO-Perspectief-programma bijeengebracht: Amsterdam UMC/VUmc, Technische Universiteit Delft, Technische Universiteit Eindhoven, UMC Utrecht, Universiteit Leiden, Universiteit Maastricht, Universiteit Twente, Wageningen University & Research, 300MICRONS, Applikon, BioLamina, Convergence, Demcon, Galapagos, Genmab, Hy2Care, IBA Lifesciences, ibidi, Life Science Methods, LipoCoat, Micronit Microtechnologies, OnePlanet Research Center/imec, Poietis, PolyVation, Stichting Proefdiervrij, provio, Qurin Diagnostics, ReumaNederland, RIVM, Spektrax, TissUse, TNO, Unilever Safety & Environmental Assurance Centre, Ushio INC. 

 

Bon: TU Eindhoven news item

/0 Reacties/door
,

32 miljoen euro voor innovatief onderzoek in zes nieuwe Perspectief-programma’s

Persbericht Rijksoverheid

Zes consortia van bedrijven, onderwijs- en kennisinstellingen en overheden gaan de komende jaren werken aan onderzoek gericht op technologische innovatie met economisch potentieel. Ze hebben binnen het Perspectief-programma van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) in totaal 22 miljoen euro vanuit het ministerie van Economische Zaken en Klimaat (EZK) toegekend gekregen voor innovatief onderzoek. De 138 betrokken bedrijven en maatschappelijke organisaties dragen daarnaast tien miljoen euro bij uit eigen middelen.

Economische en maatschappelijk impact

De zes toegekende programma’s richten zich op een nieuwe generatie optische breedbandverbindingen, het winnen van bruikbare stoffen uit industriële afvalstromen, het ontwikkelen van lichtere materialen voor CO2-reductie in transport, het standaardiseren van het maken van stukjes menselijk orgaan op een chip, het voorkomen van zoetwatertekorten door betere zuiveringstechnieken en het koppelen van data voor slimmere elektriciteitsnetwerken die helpen bijdragen aan de energietransitie.

Perspectief is een programma dat wetenschappers uitdaagt om in samenwerking met het bedrijfsleven en maatschappelijke organisaties nieuwe onderzoekslijnen op te zetten met economische en maatschappelijke impact. Perspectief heeft als doel een bijdrage te leveren aan het creëren van economische kansen binnen de sleuteltechnologieën en de maatschappelijke thema’s van het missiegedreven innovatiebeleid.

Ontwikkeling van nieuwe technologieën cruciaal

Staatssecretaris Mona Keijzer (Economische Zaken en Klimaat): “Innovatie is de basis voor onze toekomstige banen en inkomsten. Daarom blijft het noodzakelijk om onderzoek actief te financieren en samenwerking tussen ondernemers, onderwijs, wetenschap en overheden te stimuleren. We richten ons daarbij op grote maatschappelijke uitdagingen, bijvoorbeeld op het gebied van zorg en de energietransitie. Ontwikkeling van nieuwe technologieën is hierbij cruciaal. Oog hebben voor de toekomst is ook nodig om ons uit de coronacrisis te kunnen innoveren en de Nederlandse economie te versterken.”

De samenstelling van de consortia is kenmerkend voor Perspectief: alle spelers die nodig zijn om te komen tot bruikbare oplossingen in de praktijk nemen deel. Zo zijn bij het programma gericht op toekomstige slimme elektriciteitsnetwerken niet alleen technologiebedrijven en technisch dienstverleners, maar ook de drie grootste Nederlandse netwerkbeheerders betrokken. Bij het programma dat zoetwatertekorten wil oplossen werken de onderzoekers zowel met ingenieursbureaus en waterbedrijven samen, als met waterschappen, gemeentes en provincies.

/0 Reacties/door
, ,

Quantum technology conferentie QUAPPS 2021

Online workshop maakt combinatie van ZEISS Quantum Challenge en hybride conferentie

Vanwege de beperkingen als gevolg van de COVID-19-pandemie, kan de QuApps-conferentie niet plaatsvinden als een persoonlijk evenement in maart 2021 zoals oorspronkelijk gepland. Om deze reden zal er een combinatie plaatsvinden van een online evenement op 2 maart 2021 en een hybride evenement van 13 tot 15 september 2021. Op deze manier is zowel de actualiteit als het persoonlijk contact, wat in dit vakgebied erg belangrijk is, gegarandeerd.

Huidig ​​onderzoek en toepassings van kwantumtechnologie

De internationale QuApps-conferentie gaat over de stand van zaken en de ontwikkeling van kwantumtechnologie. De technologie ontwikkelt zich snel en biedt voorheen onvoorstelbare mogelijkheden voor toekomstige innovaties in het bedrijfsleven en de wetenschap. De vakgebieden omvatten kwantumcomputers, cryptografie en kwantumsensoren. Naast kwantumingenieurs en onderzoekers is het evenement ook gericht op business development strategen en trendscouts in de industrie, maar ook op investeerders en het geïnteresseerde publiek. De deelnemers krijgen diepgaande inzichten in huidig ​​onderzoek en bestaande toepassingen. De focus van de conferentie is de uitwisseling met en tussen gerenommeerde experts in kwantumtechnologie.

Virtuele workshop met deskundige presentaties en prijsuitreiking van de ZEISS Quantum Challenge

QuApps zal op 2 maart 2021 van start gaan met het virtuele evenement “QuApps Online: Workshop on Applications on Quantum Technologies”. De winnaars van de ZEISS Quantum Challenge 2020 worden in dit verband ook bekendgemaakt. Het idee achter de ZEISS Quantum Challenge is om de sprong in kwantumtechnologie vooruit te helpen, van wetenschappelijke toepassing van laboratoriumschaal naar verhandelbare producten.

In 2020 lanceerde ZEISS de Quantum Challenge, een wedstrijd gewijd aan het gebruik van kwantumtechnologieën in sensor- en beeldvormingsapplicaties in een echte omgeving. ZEISS heeft de wetenschappelijke gemeenschap op het gebied van kwantumtechnologie opgeroepen om zes echte uitdagingen aan te gaan in de categorieën medische technologie, microscopie en industriële metrologie. De uitdaging was bedoeld om veelbelovende oplossingen te identificeren. De deelnemers konden deze bespreken onder experts en partners vinden  om deze ideeën samen verder te brengen. De bijdragen van de vele deelnemers werden beoordeeld door een jury van experts. De winnaars zijn nu gekozen. Als onderdeel van de QuApps Online Conference worden deze op 2 maart 2021 aangekondigd en presenteren ze hun benadering van de professionele wereld.

Niews bericht via IVAM

/0 Reacties/door
,

Million Euro EU funding for consortium from Twente working on a rapid test for detecting corona virus

A consortium of companies from Twente can count on one million Euro funding from the European Union and the province of Overijssel to develop a rapid test to detect viruses such as corona.

D’Andrea and Evers Desgin from Enter, Holland Innovative and Micronit Microtechnologies from Enschede, Elect High-Tech Electronics from Weerselo and NYtor from Nijmegen will receive a subsidy of over 1.1 million euros from the EU and the provinces of Gelderland and Overijssel. The total costs amount to almost 2.8 million euros.

The companies are developing a “lab-on-a-chip detection platform” in the so-called VIRAPOC project. With modern technologies such as nanotechnology, life sciences, semiconductor and photonics, a virus can be quickly recognized. The method can be used in major virus outbreaks such as the current corona pandemic.

Prevent home quarantine

Rapid detection of a virus is very important to prevent further spread. It is also important to be able to track down people who carry the virus, but who show little or no symptoms of disease. A quick test can also prevent unnecessary and lengthy isolation or home quarantine.

This reduces the impact of local virus outbreaks for both the economy and the individual. “The project makes an important contribution to combating the consequences of major virus outbreaks and limiting the social and economic effects,” said Eddy van Hijum, Provincial Executive of the Overijssel province.

Direct reuse of wastewater

Another Overijssels project is also financially supported with 1.1 million euros. It concerns the NANOX project, which may eventually be a solution to the drinking water issue in Overijssel. It focuses on the direct reuse of (treated) wastewater as drinking water, or an equivalent application, so that no or much less groundwater needs to be used.

The innovation of this project lies in the combination of the “Hollow fiber nanofiltration” and “Advanced UV” technology. The combination of these techniques, developed by the partners themselves, leads to a greatly improved and sustainable water treatment process for wastewater from sewage treatment plants, or polluted surface water. The companies working on this are: NX Filtration (Enschede), Jotem Water Treatment (Vriezenveen), Van Remmen UV (Wijhe), Demcon (Optiqua) (Enschede) and Saxion (Enschede).

In addition to the Overijssel projects, two Gelderland projects have also been awarded funding in the field of innovative potato cultivation and electric ground drilling machines.

Source: Tubantia, news

/0 Reacties/door
,

Presentation Organ-on-Chips in Development at FHI cluster meeting

Janny van der Eijnden

During the online cluster meeting ‘Components’ organized by FHI, Industrial Electronics on Wednesday 2 September 2020, Dr Janny van den Eijnden-van Raaij, Managing director hDMT (Dutch Organ-on-Chip Consortium) will take you on a journey through the developments of Organ-op-Chip technology. In this cluster, members of FHI discuss market developments, the future of the market and challenges in an informal setting.

Organ-on-chips are microfluidic devices with living cell structures that, under controlled conditions, can mimic the dynamics, function and physiological response of an organ. These cells may be derived from stem cells from a healthy individual or patient, thus bringing their genetic properties into the chip. Organs-on-Chips can thus serve as tools for personalized medicine, but also as test systems for the development of drugs by pharma, as well as for food supplements, cosmetics and chemicals. This promising technology meets the need for better model systems than current conventional cell cultures and animal models.

Under the leadership of hDMT, the Dutch Organ-op-Chip consortium, a European roadmap has been drawn up, describing the steps to be taken to put the Organ-on-Chips into practice and market them. The main challenges are the qualification and standardization of the models.

hDMT takes the lead in setting up independent test centers, where newly developed Organ-on-Chips are characterized and qualified for a specific purpose.

Following the example of the Electronic Components and Systems industry, open technology platforms are being developed for standardization, offering a standardized interface and control for microfluidic chips from different makers. Within the framework of the roadmap, the recently established European Organ-on-Chip Society is committed to the acceptance of the Organ-op-Chip models by regulatory bodies and end-users by promoting dialogue between all stakeholders.

Sign up for the cluster meeting at FHI website.

/0 Reacties/door
,

SMART Photonics secures €35M new funding

SMART Photonics is excited to announce a €35M Series C investment from a Dutch consortium led by Innovation Industries, that will help us to accelerate growth for photonic chip manufacturing. Read the full press release here:

SMART Photonics secures €35M new funding to accelerate growth for photonic chip manufacturing

Eindhoven, The Netherlands, 30 June 2020 – SMART Photonics, the independent foundry for photonic integrated circuits, today announced a €35M Series C investment from a Dutch consortium led by Innovation Industries.

The company, founded in 2012, will use the funds to expand its capacity for wafer manufacturing at the High Tech Campus in Eindhoven, accelerate the development of its photonic integration technology and firmly establish the technology in the marketplace through its valued customers.

Lead investor Innovation Industries is one of Europe’s most active independent photonics investors and holds numerous investments across the photonics value chain. The funding includes a contribution from the Ministry of Economic Affairs and Climate Policy of The Netherlands through the Brabant Development Agency (BOM), as well as participations from KPN Ventures, PhotonDelta and existing shareholders, thereby reaffirming the position of SMART Photonics as the central player in the European photonics ecosystem.

SMART Photonics’ ambition is to be the leading independent foundry for photonic integrated circuits, which provide small-scale integration and high performance combined with low energy consumption. Photonic integrated circuits will play a key role in our lives by enabling new and radically improved applications that make our world better, greener and safer. SMART Photonics’ integration technology allows its customers to design chips for a variety of next generation communication and highly accurate sensor applications in telecoms, healthcare, smart mobility and sustainable industrial processes.

Since its inception in 2012, SMART Photonics has attracted a truly global customer base, consisting of leading US, European and Asian customers as well as a range of scale-up companies that develop applications using integrated photonics.

“We are very excited to have the new consortium on board and to be able to bring our foundry to the next level thanks to this investment. This will allow us to scale up our volumes as we support our customers in bringing their first commercial products using photonic integration technology to the market” comments Chief Executive Officer, Johan Feenstra, adding: “I am very grateful for the tremendous support we received from our investors, PhotonDelta partners and our long term R&D partner the Eindhoven University of Technology in making it happen.”

Nard Sintenie, General Partner, Innovation Industries, comments: “We are delighted to have had the opportunity to lead this investment in SMART Photonics, as the company is perfectly positioned as Europe’s leading independent foundry for integrated photonics through its flexible production process of photonic integrated circuits, proprietary process design kit and tremendous know-how. We are truly impressed by the quality of the team and believe that they will successfully lead the company through its next phase of growth.” He continues: “In order for Europe to maintain a leading position in the development of new technologies for the rapid-growing photonics industry, we believe it is essential to invest in infrastructure. We are confident that SMART will contribute to a strong and healthy photonics ecosystem that will drive cutting-edge technology development ensuring continued formation of exciting start- and scale-ups in this attractive industry.”

Miriam Dragstra, CCO of the Brabant Development Agency (BOM), which played an important role in the deal sourcing, emphasizes the strategic importance of the deal: “Recognized as one of Europe’s key enabling technologies, Photonics has the potential to drive economic growth and provide solutions to some of the most pressing societal and environmental challenges of our time. SMART Photonics allows Dutch technology companies to play a leading role in the development of this promising technology. Therefore, BOM is committed to supporting the financial and strategic development of this game changer.”

PhotonDelta CEO Ewit Roos explains: “SMART Photonics fulfils a key function within our growing European photonics ecosystem and are of utmost importance as the fabrication of photonic integrated circuits enables innovative products in many application domains. Thus, the growth of SMART Photonics has a profound impact as it leverages the scale of activity and innovation of the entire supply chain of integrated photonics in Europe. We are thrilled to participate in this round as the national growth accelerator for the Dutch integrated photonics industry.”

Samir Ahmad, Investment Director at KPN Ventures explains the strategic value for KPN: “In order to keep up with the immense amount of data generated at a very high speed by advancing technologies like IoT, AI, augmented reality and autonomous driving, there is a need for a new generation of photonic integrated circuits that can transport data faster, cost-effective and more sustainable (less energy consumption). Therefore, we see a unique, strategic opportunity for KPN to be closely involved in the development of photonic integration technology with SMART Photonics to continue to serve our customers in an optimal way.”

Source: News SMART Photonics

/0 Reacties/door
,

New insights into the energy levels in quantum dots

(Nanowerk News) Researchers from Basel, Bochum and Copenhagen have gained new insights into the energy states of quantum dots. They are semiconductor nanostructures and promising building blocks for quantum communication. With their experiments, the scientists confirmed certain energy transitions in quantum dots that had previously only been predicted theoretically: the so-called radiative Auger process. For their investigations, the researchers in Basel and Copenhagen used special samples that the team from the Chair of Applied Solid State Physics at Ruhr-Universität Bochum had produced.
The researchers report their results in the journal Nature Nanotechnology (“Radiative Auger process in the single-photon limit”).

Lock up charge carriers

In order to create a quantum dot, the Bochum researchers use self-organizing processes in crystal growth. In the process, they produce billions of nanometer-sized crystals of, for example, indium arsenide. In these they can trap charge carriers, such as a single electron. This construct is interesting for quantum communication because information can be encoded with the help of charge carrier spins.
For this coding, it is necessary to be able to manipulate and read the spin from the outside. During readout, quantum information can be imprinted into the polarization of a photon, for example. This then carries the information further at the speed of light and can be used for quantum information transfer.

This is why scientists are interested, for example, in what exactly happens in the quantum dot when energy is irradiated from outside onto the artificial atom.

charged exciton

Schematic representation of a charged exciton, i.e. an excited state consisting of two electrons and one hole within a quantum dot. (Image: Arne Ludwig)

Special energy transitions demonstrated

Atoms consist of a positively charged core which is surrounded by one or more negatively charged electrons. When one electron in the atom has a high energy, it can reduce its energy by two well-known processes: in the first process the energy is released in the form of a single quantum of light (a photon) and the other electrons are unaffected.
A second possibility is an Auger process, where the high energy electron gives all its energy to other electrons in the atom. This effect was discovered in 1922 by Lise Meitner and Pierre Victor Auger.
About a decade later, a third possibility has been theoretically described by the physicist Felix Bloch: in the so-called radiative Auger process, the excited electron reduces its energy by transferring it to both, a light quantum and another electron in the atom.

A semiconductor quantum dot resembles an atom in many aspects. However, for quantum dots, the radiative Auger process had only been theoretically predicted so far.
Now, the experimental observation has been achieved by researchers from Basel. Together with their colleagues from Bochum and Copenhagen, the Basel-based researchers Dr. Matthias Löbl and Professor Richard Warburton have observed the radiative Auger process in the limit of just a single photon and one Auger electron. For the first time, the researchers demonstrated the connection between the radiative Auger process and quantum optics.
They show that quantum optics measurements with the radiative Auger emission can be used as a tool for investigating the dynamics of the single electron.

electron

An electron inside a quantum dot is raised by a photon (green waveform) to a higher energy level. The result is a so-called exciton, an excited state consisting of two electrons and one hole. By emitting a photon (green waveform), the system returns to the ground state (green path). In rare cases, a radiative Auger process takes place (red arrow): an electron stays in the excited state, while a photon of lower energy (red waveform) is emitted. (Image: Arne Ludwig)

Applications of quantum dots

Using the radiative Auger effect, scientists can also precisely determine the structure of the quantum mechanical energy levels available to a single electron in the quantum dot. Until now, this was only possible indirectly via calculations in combination with optical methods. Now a direct proof has been achieved. This helps to better understand the quantum mechanical system.
In order to find ideal quantum dots for different applications, questions such as the following have to be answered: how much time does an electron remain in the energetically excited state? What energy levels form a quantum dot? And how can this be influenced by means of manufacturing processes?

Different quantum dots in stable environments

The group observed the effect not only in quantum dots in indium arsenide semiconductors. The Bochum team of Dr. Julian Ritzmann, Dr. Arne Ludwig and Professor Andreas Wieck also succeeded in producing a quantum dot from the semiconductor gallium arsenide. In both material systems, the team from Bochum has achieved very stable surroundings of the quantum dot, which has been decisive for the radiative Auger process. For many years now, the group at Ruhr-Universität Bochum has been working on the optimal conditions for stable quantum dots.

Source: Ruhr-Universität-Bochum via Nanowerk news

/0 Reacties/door
, ,

Organ-on-chip test effect COVID-19 op het hart

Niet alleen de longen ondervinden ernstige schade door COVID-19, bij een deel van de patiënten ook het hart. De oorzaak is nog niet duidelijk. Door hartweefsel op een ‘organ-on-chip’ bloot te stellen aan het virus én aan de medicatie die wordt gebruikt, ontstaat een snel en gepersonaliseerd beeld van de oorzaken, en mogelijk ook de remedies. Het ‘Organ-on-Chip Center Twente’ van de Universiteit Twente trekt daarvoor samen op met het Leids Universitair Medisch Centrum en de ondernemingen River Biomedics en NCardia, om deze kennis snel beschikbaar te maken.

Organ-on-chip systemen bieden de mogelijkheid om een miniatuurversie van een orgaan te bouwen. Dit mini-orgaan, meestal gevormd vanuit stamcellen, functioneert in een omgeving die lijkt op het echte lichaam dankzij een stelsel van vloeistofkanaaltjes en -reservoirs. Via die weg zijn ook andere stoffen toe te voegen, zoals medicatie. Voor het hart zijn er intussen modelsystemen die gebaseerd zijn op human pluripotent stem cells. Die kunnen volgens de onderzoekers ook ingezet worden voor tests met COVID-19 medicatie. En met modellen van het virus zélf: wat is het – tot nu toe onbegrepen – effect van het virus op het hart?

Snel en gepersonaliseerd

De grote voordelen zijn dat de resultaten snel beschikbaar zijn en dat zelfs het effect op de individuele patiënt zichtbaar wordt, bij gebruik van diens eigen cellen en bloed. Een gepersonaliseerde behandeling is dan mogelijk. De basis van het systeem is nu al beschikbaar, daar kan naar verwachting vlot op worden voortgebouwd. Doordat organ-on-chip systemen direct met menselijk weefsel werken, is een voordeel ook dat minder proefdieren nodig zijn.

In het project ‘MONACO-sprint’, modeling and attacking COVID-19 with Organs-on-Chips werken onderzoekers van het nieuwe Organ-on-Chip Center van de UT samen. Dit is een samenwerking van het TechMed Centre en het MESA+ Instituut van de UT.  De onderzoekers werken ook samen met collega’s van het Leids Universitair Medisch Centrum (LUMC). Partners uit het bedrijfsleven zijn de UT-spin-off River Biomedics en de in Leiden gevestigde onderneming NCardia. Het project wordt financieel ondersteund door Health~Holland.

Bron: nieuws University of Twente

/0 Reacties/door
,

The Organ-on-Chip side of the pandemic

NOCI Blog by Dennis Nahon NOCI PhD-student at LUMC

The COVID-19 pandemic is having a huge impact on every aspect of our lives. From the burden on our personal life to the restrictions it has put on our working life. We, as Organ-on-Chip (OoC) researchers haven’t been spared and most of us have only been able to show off our practical skills in alternative forms. While this has probably resulted in the creation of beautiful cakes and unlocking of legendary achievements on the PlayStation, it has not been the societal impact we were looking for. Having said this, it hasn’t been a surprise to see a range of initiatives regarding COVID-19 research from our OoC field. In this way, supporting the millions of people worldwide suffering from the virus and as a bonus proofing its added value to the scientific spectrum.

Within the NOCI-consortium, several labs have already made the effort to accommodate COVID-19 research while complying to the strict safety regulations set by the government. The Clevers group used their human small intestinal organoids to demonstrate that the SARS-CoV-2-virus can replicate in intestinal epithelial cells. The University of Twente is setting up a collaboration with the University of Leiden and University of Nijmegen to develop a platform to study COVID-19 in their heart-on-chip and lung-on-chip model.

In the meantime, the University Medical Center Groningen is setting up a collaboration between their geneticists and virologists to study the effect of COVID-19 patient plasma on endothelial cells. Looking beyond our consortium, there have been several OOC groups repurposing their tools to study COVID-19. One example is the combined effort of the National Research Council of Canada and the University of Toronto. Here they are adapting the previously established models in the lab of Milica Radisic, to study the interaction between the virus and various epithelial barriers such as nose, mouth, eyes and lung. Furthermore, there is a great effort from the Wyss institute, led by Donald Ingber, to demonstrate the applicability and flexibility of OOC models. Their recent preprint in BioRxiv shows great promise in the application of their lung-on-chip model in gaining knowledge about the virus and testing the efficacy of potential drugs.

Overall, it will still be an alien world for some time to come. A new way of working for everyone, adjusting to new regulations and protocols to keep our society healthy. Amongst this, the OoC research is an inspiring example of trying to make the most out of difficult times.

Additional reading

Source: NOCI, The Netherlands Organ-on-Chip Initiative project

NOCI logo

/0 Reacties/door
,

New integrated device for nanometer-scale sensing

Nano-metrology lab on a chip’ within reach thanks to new compact, optical sensor.

Researchers at Eindhoven University of Technology have developed a new, integrated optical sensor that provides increased resolution in measurements and paves the way for fully integrated and compact optical sensors including lasers and detectors for on-chip sensing platforms. Such sensors could play a pivotal role in accurate displacement and force measurements at the nanoscale, which is crucial for microchip and nanodevice design and evaluation. This research has been published in Nature Communications.

In the age of nanoelectronics, precision is the order of the day. For example, nanostructures can be monitored with nano-optical instrumentation – tiny, light-based systems that measure the smallest of surface variations, forces and movements. As resolution and speed are essential, optical read-out sensors based on optomechanical systems are frequently used in sensing applications such as in atomic force microscopes (AFMs). These devices generate sub-nanometer resolution images by measuring the laser light reflected by the deflection of a cantilever over a surface of interest.

However, traditional laser-based approaches such as those in AFMs can be bulky, which along with the demand for lower cost and higher resolution, motivates the need for an alternative approach. Thanks to developments in nano-optomechanical systems (NOMS), compact optical sensors for the measurement of motion, force, and mass at the nanoscale are achievable. A limiting factor though is the need for a tuneable laser with a narrow linewidth, which can be difficult to adequately incorporate on a device.

To circumvent this issue, Tianran Liu, Andrea Fiore, and colleagues from the Institute for Photonic Integration at TU/e designed a new optomechanical device with a resolution of 45 femtometers (which is about 1/1000 the size of the smallest atom) in a measurement time of a fraction of a second. Crucially, the device has an ultrawide optical bandwidth of 80 nm, removing the requirement for a tuneable laser.

TU Eindhoven New integrated device for nanometer-scale sensingWaveguides and large wavelength range

The sensor is based on an indium phosphide (InP) membrane-on-silicon (IMOS) platform, which is ideal for including passive components such as lasers or detectors. The sensor itself consists of four waveguides – structures that restrict light signals to a particular path and direction – with two waveguides suspended above two output waveguides. When a suspended waveguide is pushed towards the output waveguides on the InP membrane, the relative amount of signal carried by the output waveguides varies. Fabrication takes place via a series of lithography steps to define the waveguides and cantilever, and the final sensor consists of the transducers, actuator, and photodiodes.

One of the key advantages of this sensor is that it operates in a large range of wavelengths, which eliminates the need for an expensive laser on the device. In terms of cantilever deflection, the sensor also replicates the resolution of cantilevers in traditional, but bulky AFMs. Using this new device as a foundation, the researchers plan on developing an entire “nanometrology lab” integrated on a chip that can be used for semiconductor metrology and help in the design of the next generation of microchips and nanoelectronics.

 

 

Full paper: Tianran Liu et al., “Integrated nano-optomechanical displacement sensor with ultrawide optical bandwidth”, Nature Communications, (2020), doi: 10.1038/s41467-020-16269-7.

Source: TU Eindhoven news item

/0 Reacties/door