Synteza i charakterystyka nowych biomateriałów na bazie trójwymiarowych (3D) wielofunkcyjnych podłoży tytanowych

Numer: OPUS.13 2017/25/B/ST8/01599
Program/Konkurs: OPUS 13
Jednostka finansująca: NCN 
Kierownik projektu: dr hab. Grzegorz Dariusz Sulka, prof. UJ (UJ - lider), dr hab. inż. Wojciech Święszkowski, prof. PW (PW - konsorcjant)
Funkcja: konsorcjant
Czas realizacji: 2018 - 2021

Opis

Cel prowadzonych badań/hipoteza badawcza
Zwiększona liczba zachorowań na osteoporozę, czyli schorzenie charakteryzujące się znacznym ubytkiem masy kostnej i zwiększoną podatnością na złamania, spowodowała, że w ostatnim czasie znacząco wzrosła ilość wykonywanych zabiegów wszczepiania implantów kostnych. W naturalny sposób wpłynęło to więc na zintensyfikowane zapotrzebowanie na nowe, bardziej złożone i wielofunkcyjne biomateriały, a także na rozwinięcie innowacyjnych metod ich wytwarzania. Do takich nowatorskich podejść zaliczyć można rozwiązania proponowane zarówno przez nanotechnologię, jak i coraz mocniej rozwijające się metody drukowania 3D. Co więcej, połączenie obu tych technik mogłoby pozwolić na stworzenie materiału o dużo bardziej korzystnych właściwościach strukturalnych i mechanicznych. W związku z tym, hipoteza badawcza proponowanego projektu zakłada, że poprzez połączenie modelowania komputerowego, druku 3D i procesu anodowego utleniania metali, możliwa będzie synteza nowego trójwymiarowego biomateriału na bazie tytanu, który będzie charakteryzował się strukturą o złożonej porowatości, zarówno w skali mikro, jak i nano, a także wykazywał pożądane właściwości mechaniczne. Ponadto, możliwa będzie funkcjonalizacja takich materiałów różnego rodzaju lekami lub czynnikami antybakteryjnymi w celu zapewnienia im dodatkowych, korzystnych właściwości. W konsekwencji, planowana jest synteza i kompleksowa charakterystyka trójwymiarowych podłoży tytanowych, które będą odznaczały się bardzo dobrą osteoinduktywnością, będą mogły zostać zastosowane jako nośniki leków, a także będą wykazywały właściwości bakteriostatyczne i/lub biobójcze.

Zastosowana metoda badawcza/metodyka
Realizacja celów projektu możliwa będzie dzięki połączeniu doświadczenia dwóch zespołów badawczych specjalizujących się odpowiednio w technikach drukowania trójwymiarowego oraz anodowego utleniania (anodyzacji) struktur metalicznych. W pierwszej kolejności, stosując metody modelowania komputerowego, zaprojektowane zostaną podłoża tytanowe o otwartej mikroporowatości i posiadające pewne zadane właściwości mechaniczne. Następnie, wykorzystując metodę selektywnego stapiania laserowego (SLM), wydrukowane zostaną trójwymiarowe struktury tytanowe. Materiały takie zostaną poddane utlenianiu anodowemu w celu uzyskania nanostrukturalnej warstwy tlenku tytanu(IV) na powierzchni tytanu. W następnej kolejności tak przygotowane podłoża zostaną wygrzane, aby zmienić ich strukturę krystaliczną i poprawić właściwości mechaniczne i osteoinduktywne. Część podłoży zostanie także sfunkcjonalizowana poprzez osadzenie nanocząstek o właściwościach antybakteryjnych lub inkorporację lekami. Niemodyfikowane, jak i modyfikowane podłoża Ti/TiO2 zostaną kompleksowo scharakteryzowane zarówno pod kątem morfologii, jak i struktury. Materiały zawierające farmaceutyki badane będą także jako nośniki leków. Przeprowadzone będzie kontrolowane uwalnianie leków z porowatych struktur, a następnie ustalona zostanie kinetyka tego procesu dla każdego związku. Wyselekcjonowane próbki zostaną poddane testom mikrobiologicznym w celu oceny ich właściwości antybakteryjnych. Końcowy etap projektu obejmował będzie ocenę bioaktywności i biokompatybilności syntezowanych materiałów. Przeprowadzone zostaną testy in vitro na linii komórek osteoblastopodobnych MG-63, które pozwolą między innymi na ocenę cytotoksyczności i osteoinduktywności badanych struktur. W toku całego projektu szczególny nacisk położony zostanie na znalezienie potencjalnej korelacji pomiędzy morfologią i składem syntetyzowanych biomateriałów a ich właściwościami mechanicznymi i biokompatybilnością.

Wpływ spodziewanych rezultatów na rozwój nauki
Wnioskodawcy mają głębokie przekonanie, że tak kompleksowe i szeroko zakrojone badania dotyczące syntezy i charakterystyki nowych trójwymiarowych biomateriałów opartych na porowatym tytanie pokrytym nanostrukturalną warstwą tlenku tytanu(IV) w znaczący sposób przyczynią się do rozwinięcia i pogłębienia dotychczasowej wiedzy na temat materiałów implantacyjnych. Co więcej, zdobyta wiedza i umiejętności będą dobrym punktem wyjścia do ich zastosowania w wielu dziedzinach nauki, takich jak inżynieria materiałowa, bioinżynieria czy implantologia. Ponadto, zaproponowanie syntezy materiałów o konkretnym, zadanym kształcie i właściwościach może znaleźć zainteresowanie w coraz prężniej rozwijającej się gałęzi nauki – medycynie spersonalizowanej, zwłaszcza w kontekście dopasowania implantu do indywidualnych potrzeb pacjenta. Należy nadmienić, że uzyskane w trakcie trwania projektu wyniki prezentowane będą na krajowych i zagranicznych konferencjach naukowych, a także publikowane w recenzowanych czasopismach międzynarodowych. Część badań prowadzonych w ramach projektu zostanie zawarta w pracach magisterskich i doktorskich realizowanych w obu jednostkach partnerskich. Ponadto, zakładając otrzymanie szczególnie interesujących wyników, autorzy podejmą próby uzyskania zgłoszeń patentowych, co z pewnością będzie wartością dodaną projektu.