Laboratorier och utrustning

3D-avbildning med synkrotronröntgen

Synkrotronbaserad röntgentomografi är en kraftfull och icke-destruktiv avbildningsmetod med ett brett spektrum av tillämpningar som spänner över biomedicin, materialvetenskap, ingenjörsvetenskap och nanoteknik; den möjliggör mätningar av materialens inre struktur i 3D med hög hastighet. Vid Malmö universitet har tekniken använts för att studera bentillväxt och benläkning, undersökningar av träbeläggningar samt hur läkemedel och kosmetika tränger igenom huden.

Utmaningen med permanenta metallimplantat

En av de vanligaste operationerna inom ortopedi är intern fixering av frakturer med metallimplantat. Detta omfattar stift, plattor, skruvar och stavar, som används för att återförena och hålla ihop de frakturerade delarna så att de kan läka. Implantat används även för benrekonstruktion vid kranie- och ansiktskirurgi. De mest använda och välfungerande materialen är titanlegeringar och rostfritt stål. En stor nackdel med dessa material är att de måste avlägsnas efter att benet har läkt. För patienten innebär detta ofta ett andra ingrepp, med alla risker och komplikationer som är förknippade med det. Att utveckla självnedbrytande implantat som kan fixera frakturer och sedan försvinna av sig själva när benet har läkt är därför av stort intresse.

Magnesium som ett biologiskt nedbrytbart implantatmaterial

Magnesium är en metall som förekommer naturligt i kroppen och har en hållfasthet som liknar benets. Det har också egenskapen att gradvis lösas upp i kroppen och bilda giftfria produkter. Det är mycket lovande som en implantatlösning för användning i skelettets belastade områden. Faktum är att den konstanta frisättningen av Mg-joner vid frakturstället potentiellt skulle kunna ha en positiv stimulerande effekt på bentillväxten, och magnesiumbaserade implantat har därför tillverkats och testats som benimplantat.

Att följa implantatets nedbrytning över tid

Genom att använda synkrotronröntgenstrålning kan bilder tas i snabb takt, vilket gör det möjligt för forskare att följa implantatets nedbrytning över tid.

Att förstå fettkristallstrukturer

Fettkristallografi är viktigt för ett stort antal tillämpningar inom branscher som livsmedel, kosmetika och läkemedel. Fettets reologiska och mekaniska egenskaper beror till stor del på strukturen hos fettkristallnätverken. Det växande intresset för lipidbaserade hjälpämnen vid utvecklingen av smakmaskerade och modifierade läkemedelsformuleringar med justerad frisättning hämmas ofta av instabilitet i frisättningen. Det krävs även en djupare mekanistisk förståelse i detta avseende för att underlätta tillämpningar i större skala.

Mysteriet med Vasa-smöret

Sveriges mest berömda slagskepp, Vasa, sjösattes 1628 och bärgades från havsbotten med ett nästan intakt skrov 1961. Arkeologerna stod inför en i stort sett orörd fyra våningar hög struktur att utgräva. Bland fynden ombord fanns olika behållare med smör. Smöret visade sig vara mycket salt och hade uppenbarligen blivit härsket efter 333 års lagring vid 4 grader Celsius. Ett prov från en mindre plåtburk analyserades senare av forskare vid Malmö universitet.

Undersökning av fettsnedbrytning genom århundradena

År 1991 genomfördes strukturella undersökningar med hjälp av den röntgenutrustning som forskarna hade tillgång till vid den tiden. Kompletterande kemiska analyser bekräftade att en stor del av smörets huvudbeståndsdel, triglyceriderna, hade nedbrutits till fria fettsyror (mono- och diglycerider). Den totala fettsyrasammansättningen skilde sig dock från den hos färskt smör, och man började ifrågasätta om plåtburkarna verkligen hade varit vattentäta eller om en del av innehållet hade lösts upp i havsvattnet.

Nya möjligheter med synkrotronröntgen

Utvecklingen av nya generationer av röntgenutrustning har gett oss betydligt kraftfullare verktyg än de vi använde för Vasa-studien. Tillgången till synkrotronljus vid MAX IV kan dessutom kombineras online med andra kompletterande tekniker.

Att fånga fasövergångar i realtid

Synkrotronens högenergiska röntgenstrålning gör det möjligt att registrera pulverdiffraktionsmönster (röntgenmönster som visar hur kristallerna är uppbyggda) på så kort tid som två sekunder. Det innebär att termiskt inducerade förändringar kan kvantifieras noggrant och att ytterligare insikter om fasövergångarnas natur kan erhållas. Sådan detaljerad kunskap kan inte erhållas med befintliga laboratorieinstrument, som kräver en betydligt längre insamlingstid.

De dolda processerna bakom hjärtsjukdomar

Åderförkalkning, där plack av fett och kolesterol ansamlas i artärerna, kan leda till hjärtinfarkt och stroke. Vissa lipoproteiner, det ”goda” och det ”onda” kolesterolet, fungerar som transportörer av kolesterol och fett i blodet och används idag som kliniska markörer för sjukdom. Att mäta de totala nivåerna av kolesterol eller lipoproteinpartiklar ger ingen exakt förutsägelse av risken att utveckla åderförkalkning, eftersom många människor drabbas av hjärt- och kärlsjukdomar trots att de uppvisar normala kliniska lipidprofiler.

Att följa växelverkan mellan blodfetter och artärväggar

För att förstå de molekylära mekanismerna bakom plackbildningen är det nödvändigt att förstå både lipoproteinpartiklarnas struktur och artärväggens struktur under deras växelverkan. Båda dessa system är dock komplexa molekylära strukturer, och det har visat sig vara extremt svårt att fastställa deras detaljerade uppbyggnad.

Att se vad andra tekniker inte kan

En av de största fördelarna med neutroner är att de ser väte- och deuteriumatomer på olika sätt. Detta gör det i sin tur möjligt att belysa olika delar av ett komplext biologiskt system var för sig.

Från grundforskning till framtida behandlingar

När det gäller interaktioner mellan naturliga lipoproteiner och artärväggen har neutronspridning i kombination med selektiv deuterering erbjudit ett elegant sätt att systematiskt studera varje komponent för sig. Sådan kunskap kommer inte bara att bidra till att förbättra dagens diagnostiska verktyg, utan kan även leda till utvecklingen av mer specifika läkemedel.

En titt under ytan

Neutronreflektion är en kraftfull teknik som används för att se djupt in i materialet och ge omfattande information om ytor. Genom att utveckla ett nytt instrument som gör det möjligt att studera smörjningen av tunna filmer både under inneslutning och skjuvning kan vi utföra neutronreflektometri-undersökningar samt undersökningar med en teknik som kallas GI-SANS. Dessa kan ge information i planet nära ytan på tunna filmer.

Att lära av naturens smörjmedel

Genom historien har vi använt oljebaserade smörjmedel för att förebygga skador och slitage. Vår egen kropp har dock utvecklat vattenbaserade system för att smörja sina ytor som utsätts för skjuvning (deformation genom att materialets olika skikt förskjuts i förhållande till varandra). Dessa biosmörjmedel, såsom saliv och slem, överträffar alla konstgjorda oljebaserade smörjmedel. Men varför är de så oerhört svåra att efterlikna? Att förstå hur naturen övervinner nackdelarna med vatten som smörjmedel är ett av projekten vid Malmö universitet som kan leda till utvecklingen av nya smörjformuleringar.

Att förstå hur smörjning fungerar

Skjuvning förväntas utlösa förändringar i tunna filmers struktur, och karakteriseringen av dessa förändringar är avgörande för att förstå deras smörjningsmekanismer. Detta är i sin tur avgörande för att kunna förutsäga tunna filmers smörjförmåga utifrån deras sammansättning och därmed möjliggöra en rationell utveckling av nya smörjformuleringar.

Från grundläggande insikter till praktiska tillämpningar

Den metodik som möjliggör studier av de biosmörjmedel som finns i vår kropp kan ge grundläggande kunskap om deras strukturella och mekaniska egenskaper. Detta kan leda till utveckling av giftfria, vattenbaserade smörjsystem med nya biomedicinska tillämpningar och bidra till att ersätta de kraftigt förorenade oljebaserade smörjmedlen som för närvarande används inom vår teknik. Det kommer också att möjliggöra utveckling av nya behandlingar för flera sjukdomar som är förknippade med förändringar i våra biosmörjande egenskaper.

Utveckling av topiska behandlingar

Vid Malmö universitet har omfattande forskning bedrivits kring utvecklingen av icke-invasiva eller minimalt invasiva topiska behandlingar, det vill säga behandlingar som appliceras direkt på huden eller slemhinnor, för såväl medicinska som kosmetiska ändamål. I samarbete med andra universitet och branschpartner har detta inneburit att man har utnyttjat MAX IV:s anläggningar.

Hur huden anpassar sig till sin omgivning

Huden reagerar på förändringar i omgivningen, till exempel övergången från torr hud i ett kallt och torrt klimat till fuktig, rynkig hud efter ett långt varmt bad, eller efter applicering av en kosmetisk kräm för att lindra torr hud. Ur ett vetenskapligt perspektiv är det viktigt att förstå hur och varför hudbarriären påverkas av förändringar i omgivningen och hur detta påverkar hudbarriärens funktion. Detta kan i sin tur hjälpa oss att förstå upptaget av läkemedel som appliceras på hudytan, utvecklingen av hudsjukdomar och hudens hälsa i allmänhet.

Att kartlägga hudbarriären på molekylär nivå

Röntgendiffraktion är en värdefull teknik som används för att undersöka hudbarriärens strukturella egenskaper. I vår forskning är det särskilt viktigt att förstå hur detta samband mellan struktur och funktion påverkas av parametrar som relativ luftfuktighet, temperatur eller applicering av vanliga ämnen som används i kommersiella hudvårdsprodukter.

Tunna filmer med dold struktur

Tunna polymerfilmer används i allt från förpackningar, färger och lim till elektronik, kosmetika och medicintekniska produkter. De kan tillverkas av många olika material och formuleringar. Vid Malmö universitet studerar forskare särskilt så kallade latexfilmer. För att förstå varför sådana filmer får sina specifika egenskaper är det viktigt att undersöka deras struktur, inte minst i det yttersta skiktet där många avgörande processer sker.

Från nanopartiklar till färdig film

Latexfilmer bildas av mycket små polymerpartiklar som är dispergerade i vatten. Partiklarna är vanligtvis mellan 50 och 200 nanometer stora. När vattnet avdunstar smälter de successivt samman och bildar en sammanhängande film. Samtidigt kan ännu mindre strukturer finnas kvar i materialet och påverka dess egenskaper.

För att studera dessa processer använder forskarna småvinkelröntgenspridning (Small-Angle X-ray Scattering, SAXS). Metoden gör det möjligt att undersöka strukturer på nanometerskala och följa hur partiklarna går samman under filmbildningen. Den kan också avslöja mindre strukturer som annars är dolda inuti filmen.

Att fånga filmbildningen i realtid

En utmaning med traditionella röntgenspridningsmetoder är att de vanligtvis kräver prov som är flera millimeter tjocka. Det är betydligt tjockare än de filmer och beläggningar som används i praktiken, vilket gör det svårt att studera filmbildningen under realistiska förhållanden. De tjockare proverna torkar dessutom långsammare, vilket kan påverka resultaten.

För tunna filmer är därför betesvinkelgeometri (grazing incidence) ofta ett bättre alternativ. Genom att låta röntgenstrålen träffa provet i en mycket liten vinkel kan forskarna få detaljerad information om strukturen i skikt som bara är några nanometer tjocka. Metoden används nu för att följa hur latexfilmer bildas i realtid och ger nya möjligheter att förstå hur materialens mikroskopiska struktur utvecklas och påverkar deras funktion.

Superlegeringar för extrema miljöer

Metallegeringar består av två eller flera metalliska eller andra grundämnen, till exempel stål (järn och kol) eller brons (koppar och tenn). Bland dessa material finns de så kallade superlegeringarna, även kallade högpresterande legeringar. De kännetecknas av mycket goda mekaniska egenskaper och kan behålla sin styrka även vid höga temperaturer och stora belastningar.

Därför används de i särskilt krävande miljöer, exempelvis i turbinmotorer, värmeväxlare och kraftverk.

Vad gör en superlegering så stark?

För att utveckla ännu bättre legeringar behöver forskare förstå vilka strukturer i materialet som ger dess unika egenskaper. En viktig faktor är de mycket små partiklar, så kallade utskiljningar (precipitates), som bildas inne i materialet.

Traditionella dragprov kan visa hur starkt ett material är vid olika temperaturer och efter olika värmebehandlingar. Däremot ger de ingen direkt information om utskiljningarnas storlek, form eller mängd, eller om hur dessa förändras under en värmebehandling. Den kunskapen är avgörande för att kunna utveckla nya legeringar och mer effektiva tillverkningsprocesser.

Att följa förändringar inuti materialet

Med hjälp av högenergetiska synkrotronröntgenstrålar kan forskarna studera legeringars inre struktur medan de utsätts för värme eller mekanisk belastning. Metoden gör det möjligt att följa hur utskiljningarna bildas, växer och förändras i realtid.

Forskarna kan bland annat mäta partiklarnas storlek, form och mängd, vilket ger en betydligt djupare förståelse av sambandet mellan materialets mikrostruktur och dess egenskaper.

Mot starkare och mer energieffektiva material

I ett samarbetsprojekt där forskare från Malmö universitet deltagit har en kompakt mätutrustning utvecklats för att studera hur utskiljningarna reagerar när material belastas.

Den förbättrade tekniken hjälper forskare att förstå hur dessa strukturer samverkar med legeringen och påverkar dess prestanda. På sikt kan kunskapen leda till nya värmebehandlingar som både förbättrar materialens egenskaper och minskar energianvändningen vid tillverkning.