Materiały na bazie tytanu o podwyższonej bioaktywności wytwarzane z zastosowaniem dużego odkształcenia plastycznego

Numer: 2022/45/B/ST5/03398
Kierownik projektu: prof. dr hab. inż. Halina Garbacz
Jednostka finansująca: Narodowe Centrum Nauki
Program/konkurs: OPUS 2023
Czas realizacji: 2023-2026
Kwota dofinansowania: 1 184 620 PLN

Dane statystyczne dotyczące długości czasu życia oraz starzenia się społeczeństwa jednoznacznie wskazują na konieczność kontynuowania prac nad materiałami do zastosowań na implanty (w tym implanty stomatologiczne) w celu poszerzenia zakresu ich stosowania i poprawy komfortu pacjentów. Właściwości użytkowe/funkcjonalne metalicznych implantów można kształtować poprzez projektowanie składu chemicznego stopów, mikrostruktury oraz zastosowanie obróbek powierzchniowych. W projekcie zaplanowano kompleksowe podejście do kształtowania właściwości biomateriałów na bazie tytanu, uwzględniające wszystkie wymienione ścieżki. W projekcie wykorzystano duże odkształcenie plastyczne (ang. large plastic deformation) do wytworzenia nowej klasy materiałów na bazie tytanu, których powierzchnie będą poddane dalszym modyfikacjom w celu poprawy ich bioaktywności.

Głównym celem projektu jest zaprojektowanie hybrydowej funkcjonalizacji powierzchni nowoczesnych biomateriałów tytanowych przeznaczonych do zastosowania w implantologii stomatologicznej. Do badań realizowanych w projekcie wybrano dwa wysoko wytrzymałe, ultradrobnoziarniste/nanokrystaliczne materiały o różnej budowie fazowej: jednofazowy czysty technicznie α Ti oraz zbliżony do β stop Ti-13Nb-13Zr, który zawiera pierwiastki dobrze tolerowane przez organizm ludzki i posiada mniejszy moduł Younga w porównaniu do innych biomateriałów metalicznych.

Większa wytrzymałość materiałów wytworzonych w ramach projektu, w porównaniu do powszechnie wykorzystywanego w stomatologii mikrokrystalicznego czystego technicznie tytanu, stwarza możliwość zmniejszenia rozmiarów wykonanych z nich implantów. Ogranicza to inwazyjność procedury chirurgicznej oraz pozwala na jej przeprowadzenie w przypadku pacjentów, dla których zastosowanie implantu o standardowych rozmiarach byłoby niemożliwe bądź utrudnione.

Sukces implantacji jest uzależniony nie tylko od właściwości mechanicznych, ale również od morfologii, składu chemicznego oraz właściwości powierzchni biomateriału. Swoista, pożądana odpowiedź biologiczna może być uwarunkowana poprzez silne połączenie mechaniczne oraz wiązanie chemiczne pomiędzy materiałem implantu, a otaczającą go tkanką kostną. Jakość połączenia mechanicznego może być poprawiona poprzez wytworzenie odpowiedniej topografii powierzchni, natomiast silne wiązanie chemiczne może być indukowane poprzez obecność bioaktywnych substancji na powierzchni. Uwzględniając te fakty,
w ramach projektu zaplanowano opracowanie i wykonanie nowej, hybrydowej obróbki funkcjonalizacji powierzchni ultradrobnoziarnistych/nanokrystalicznych biomateriałów tytanowych, złożonej z następujących etapów: (i) wykonanie powierzchniowej obróbki mechanicznej, chemicznej, laserowej bądź kombinacji wymienionych obróbek, (ii) wytworzenie bioaktywnych powłok na zmodyfikowanych powierzchniach materiałów.
  

 
Kompleksowe podejście do zaprojektowania hybrydowej funkcjonalizacji powierzchni odkształconych plastycznie materiałów pozwoli na poszerzenie wiedzy z zakresu badań podstawowych i może przyczynić się do zrozumienia złożonych relacji pomiędzy mikrostrukturą, cechami powierzchni oraz właściwościami bioaktywnych powłok. Realizacja projektu pozwoli na stworzenie założeń dla wytworzenia nowej generacji implantów wykonanych z nano-biometali o zmodyfikowanych, bioaktywnych powierzchniach, przyspieszających proces narastania tkanki kostnej.