Naukowcy z Wydziału Mechanicznego (WM) Politechniki Koszalińskiej zajmą się badaniami nad udoskonaleniem jakości materiałów, które są wykorzystywane w instrumentarium stomatologicznym oraz implantologii. Badania będą zogniskowane na materiałach, które wykazują efekt pamięci kształtu. Realizację badań sfinansuje Narodowe Centrum Nauki. Kwota dotacji to 1.168.760 zł.

Medycyna w zakresie implantologii stawia przed badaczami ambitne wyzwania. Naukowcy starają się odpowiedzieć na ważne pytania dotyczące tego, które właściwości materiału stosowanego do wytworzenia implantów, a w szczególności właściwości jego powierzchni są w stanie warunkować oczekiwaną odpowiedź biologiczną potwierdzoną wynikami klinicznymi.

Interakcja dodatnia
W wyniku intensywnych badań w tym obszarze w ciągu ostatniej dekady ewolucji uległ paradygmat postrzegania wpływu właściwości powierzchni biomateriałów polegający na rozszerzeniu pojęcia biokompatybilności od warunku neutralności z otaczającą tkanką biologiczną do warunku pozytywnego wpływu na interakcję z żywą komórką i aktywną ekspresję nowej tkanki.

Innymi słowy, interakcja między biokompatybilnym materiałem a żywymi komórkami lub tkankami powinna być dodatnia, wspomagająca gojenie się ran oraz odbudowę i integrację tkanki. Jednak wciąż jesteśmy daleko od zaprojektowania wyrafinowanych powierzchni implantów z najlepszą możliwą, selektywną funkcjonalnością dla każdej konkretnej tkanki. Przede wszystkim dlatego, że nasza wiedza na temat odpowiednich reakcji powierzchniowych jest w dalszym ciągu fragmentaryczna.

– Oczywiście, wśród szerokiej palety właściwości, którymi musi się charakteryzować implant, niezależnym warunkiem jest zachowanie w organizmie jak najdłuższej trwałości – podkreśla prof. dr hab. Jerzy Ratajski, kierownik Katedry Inżynierii Biomedycznej na WM. – A zatem naszym wyzwaniem jest dobór materiałów oraz uszlachetnienie ich powierzchni by spełniały wymienione warunki.

Inteligentne materiały
Badaniami nad materiałami do wytwarzania implantów zespół naukowców z Wydziału Mechanicznego zajmie się w ramach projektu pn. „Zastosowanie koncepcji Inżynierii Naprężeń do projektowania przeciwzużyciowych powłok Zr-C dla stopów z NiTi z pamięcią kształtu”.

Jak sugeruje tytuł, badania będą dotyczyć przede wszystkim zastosowania stopów NiTi (to stopy niklu i tytanu zwane też Nitinolami). Stopy te zalicza się do materiałów inteligentnych, gdyż wykazują się efektem pamięci kształtu: w określonej temperaturze – w sposób kontrolowany zmieniają swój kształt, by przy zmianie warunków cieplnych wrócić do poprzedniego kształtu (tzw. rekonfiguracja strukturalna). Stopy te ze względu na swoje unikatowe właściwości stwarzają nowe możliwości w zakresie projektowania sztucznych narządów czy np. zaawansowanego instrumentarium stomatologicznego. Stanowią również przedmiot intensywnych badań zogniskowanych na zastosowanie w implantologii kardiologicznej jako samorozprężalne stenty czy pierścienie zastawek serca oraz implanty do zamykania ubytków międzyprzedsionkowych serca.

Dlatego jednym z wątków badań prowadzonych w ramach projektu będzie optymalizacja struktury i własności stopów Nitinolu właśnie pod kątem specyfiki zastosowania medycznego.

Aby zapobiec alergiom
Oprócz wymienionej już implantologii kardiologicznej Nitinole są już szeroko wykorzystywane jako stabilizatory kręgosłupa stosowane w leczeniu skoliozy u dzieci, jak również w stomatologii do produkcji instrumentarium i długookresowych implantów oraz w ortodoncji do produkcji drutów i klamer. Materiały te wymagają jednak ciągłych udoskonaleń, m.in. dlatego, że wysoka zawartość niklu w stopie Nitinolu może wywoływać obawy o potencjalne reakcje alergiczne. By temu zapobiec w laboratoriach badawczych trwają intensywne prace ukierunkowane na osadzeniu na powierzchni stopu powłok, których celem jest stanowienie bariery przeciwko uwalnianiu się jonów niklu oraz podniesienie odporności na zużycie i korozję.

Chodzi o wydłużenie trwałości implantów (uzyskanie większej odporności mechanicznej), ale też zapobieżenie ewentualnym negatywnym wpływom na zdrowie człowieka.

I właśnie na opracowaniu najbardziej optymalnych powłok będzie skoncentrowany projekt realizowany przez naukowców z naszej uczelni.

Wykorzystamy druk w technologii 4D
Projekt składa się z pakietu zadań badawczych zmierzających do zaprojektowania gradientowych powłok opartych na węgliku cyrkonu (Zr-C). Badanie właściwości tych powłok zespół naukowców poprowadzi w oparciu o koncepcję Inżynierii Naprężeń (ang. stress engineering).

Podstawowym zadaniem będzie wykazanie, że tak przygotowane powłoki będą się charakteryzowały właściwościami niezbędnymi do osadzania na stopach z pamięcią kształtu (Nitinolach) wytwarzanych technologią tradycyjną.

Odrębnym zadaniem będą badania dotyczące osadzania powłok na próbkach stopu Ni-Ti wykonanych techniką przyrostową, tj. technologią druku 3D. Zadanie to wpisuje się w intensywnie ostatnio badany obszar wytwarzania przyrostowego inteligentnych materiałów i struktur, tj. tzw. druk 4D, który stanowi połączenie druku 3D i czwartego wymiaru, którym jest czas zachodzenia określanych zmian strukturalnych, stymulowanych czynnikami zewnętrznymi. W zastosowaniach medycznych coraz częściej poszukiwane są materiały, które mogą być w sposób małoinwazyjny dostarczone do miejsca ubytku, a dopiero tam zmienią swój kształt dopasowując się do niego. Druk 4D, na bazie stopu Ni-Ti, stwarza możliwości wytwarzanie implantów spełniających powyższe wymagania.

Ważne wyzwanie: powłoka
Proces wytwarzania próbek będzie realizowany metodą binder jetting, a w jego realizację zaangażowany zostanie zespół Centrum Szybkiego Prototypowania Wydziału Mechanicznego, którym kieruje prorektor ds. nauki Politechniki Koszalińskiej, dr hab. inż. Błażej Bałasz, prof. PK. W obszarze inżynierii biomedycznej oczekuje się, że wytwarzanie przyrostowe, a w szczególności druk 4D zrewolucjonizuje produkcję implantów i rusztowań inżynierii tkankowej dla konkretnego pacjenta jako spersonalizowaną medycynę regeneracyjną do leczenia chorób człowieka.

Trudność całego zadania polega m.in. na tym, by uszlachetniając powierzchnię Nitinolu w celu zwiększenia jego trwałości w organizmie, nie spowodować zmiany temperatury rekonfiguracji. Jest jeszcze jedno ważne wyzwanie: powłoka, która ma zostać osadzona na powierzchni implantu z Nitinolu, powinna mieć taki skład chemiczny i strukturę, by w wyniku rekonfiguracji stopu nie uległa zniszczeniu.

Z wszystkimi wyzwaniami wiążącymi się z realizacją projektu zmierzy się zespół pracowników Katedry Inżynierii Biomedycznej, w składzie: prof. dr hab. Jerzy Ratajski, dr inż. Adam Gilewicz (kierownik projektu), dr Łukasz Szparaga, dr Ewa Czerwińska i mgr inż. Katarzyna Mydłowska. Realizacja badań potrwa 3 lata. Projekt finansuje Narodowe Centrum Nauki w ramach konkursu OPUS.

fot. Adam Paczkowski, Marcin Torbiński / Politechnika Koszalińska