System analizy geometrii i biopodatności powierzchni implantów medycznych wytwarzanych przyrostowo
Logo projektu:
Nr umowy:
7195-IA-SP-2021
Okres realizacji:
2.09.2021-30.11.2022
Wartość projektu:
1 598 580
Kierownik projektu:
dr Małgorzata Tomasik
Koordynacja administracyjna:
Agnieszka Kropa-Szyszkowska
Streszczenie projektu:
projekt pozwoli na stworzenie systemu do kompleksowej analizy powierzchni implantów medycznych wytwarzanych z materiałów biokompatybilnych, alternatywnych dla tytanu, stosowanych w chirurgii rekonstrukcyjnej czaszki, w tym chirurgii szczękowo-twarzowej oraz stomatologicznej. Wyposażenie systemu: 1. Stanowisko do monitorowania procesów przyżyciowych w warunkach środowiskowych z kontrolą temperatury i przepływu CO2 wyposażone w naukowo-badawczy mikroskop odwrócony. 2. Stanowisko do analiz powierzchni i pomiarów metrologicznych implantów medycznych z biomateriałów wyposażone w urządzenie do wykorzystania w metrologii 3D, analizie profilu powierzchni, chropowatości i tekstury oraz kształtów, form topograficznych, objętości elementów powierzchni a także pola badanej powierzchni, powierzchni przekroju poprzecznego i grubości warstw wraz z wysokością skoków. 3. Stanowisko do drukowania 3D z materiałów wysokotemperaturowych z pełnym wypełnieniem takich jak PEEK, PEKK. Implanty będą wykonywane z zastosowaniem nowoczesnej technologii wytwarzania przyrostowego FFF (ang. Fused Filament Fabricaton) poprzez nakładanie na siebie warstw roztopionego termoplastu z wybranych certyfikowanych medycznych materiałów wysokotemperaturowych, takich jak np. PEEK poli-etero-etero-keton oraz PEKK poli-etero-keton. Są to biomateriały należące do nowej generacji wysokousieciowanych, niechłonnych tworzyw sztucznych, charakteryzujące się bardzo wysoką biostabilnością, wysoką, stałą odpornością korozyjną i hydrologiczną, chemiczną obojętnością na płyny ustrojowe, bardzo niską absorbcją wody (0,65 μg/mm3) oraz bardzo niską rozpuszczalnością. Posiadają właściwości korzystne dla zastosowań biomedycznych, ze względu na dużą wytrzymałość mechaniczną i moduł sprężystości podobny do kości naturalnych oraz brak działania toksycznego, mutagennego i kancerogennego. Celem projektu jest ocena i charakterystyka implantów z materiałów PEEK i PEKK wytwarzanych techniką przyrostową o powierzchni zmodyfikowanej w wyniku post-processingu. Próbki do badań z certyfikowanych filamentów, do zastosowań medycznych wytwarzane będą z zastosowaniem profesjonalnej wysokotemperaturowej drukarki przeznaczonej do wytwarzania produktów medycznych. Urządzenie cechuje się unikalnym sposobem transferu ciepła pozwalającym na uniknięcie skurczu i nadmiernego gradientu termicznego. Modyfikacja powierzchni polimerów skoncentrowaną wiązką będzie polegała na zastosowaniu lasera małej mocy do kontrolowanego wygładzania powierzchni. Próbki o różnej geometrii zostaną poddane wiązce lasera o zmiennej koncentracji energii i średnicy plamki w celu uzyskania optymalnego płynięcia materiału w warstwie powierzchniowej i usunięcia śladów po wytwarzaniu przyrostowym. Do oceny chropowatości i topografii powierzchni wytworzonych próbek z polieteroeteroketonu i polieteroketonuketonu zostanie zastosowany nowoczesny profilometr optyczny, łączący wysoką rozdzielczość mikroskopii konfokalnej z interfereometrią (system dual core). Istotnym etapem badań będzie analiza podatności próbek o zmodyfikowanej powierzchni na adhezję biofilmu bakteryjnego i mieszanego w porównaniu z próbkami niemodyfikowanymi. Badania mikrobiologiczne biofilmu bakteryjnego będą prowadzone z zastosowaniem mikroskopu odwróconego z modułem do obserwacji fluorescencyjnej, umożliwiający monitorowanie procesów przyżyciowych. Analiza biologicznych właściwości mikrostruktury powierzchni implantów wytworzonych z biomateriałów ma fundamentalne znaczenie w procesie leczenia pacjentów ze względu na zdolności do osteointegracji przy jednoczesnej odporności na tworzenie się patologicznego biofilmu bakteryjnego w środowisku tkankowym. Infrastruktura badawcza została tak skonfigurowana, aby możliwe było przeprowadzenie kompleksowych badań mikroskopowych nie tylko samych próbek wytworzonych z biokompatybilnych materiałów stosowanych w medycynie, ale także wzorców implantów o kształtach i rozmiarach wykorzystywanych w warunkach klinicznych. Spodziewanym wynikiem prac badawczych będzie opracowanie procesu technologicznego i technik kształtowania indywidualnych implantów o biofunkcjonalnej mikrostrukturze niepodatnej na adhezję komórek bakteryjnych oraz sprzyjającej procesowi osteointegracji. Zaproponowane materiały – polieteroeteroketon (PEEK), oraz polieteroketonketon (PEKK), nie były do tej pory wykorzystywane z użyciem technik przyrostowych. Nowatorski charakter projektu polega na możliwości spersonalizowanego projektowania implantów, zastosowaniu biokompatybilnych materiałów alternatywnych dla tytanu, nowatorskiej metodzie laserowego modyfikowania powierzchni drukowanych komponentów z PEEK i PEKK i wytworzeniu powierzchni o unikalnych właściwościach biologicznych. Opracowana metodyka druku i laserowej modyfikacji mikrostruktury powierzchni implantów z PEEK oraz PEKK i ich kompozytów będzie mogła znaleźć zastosowanie w implantoprotetyce.
