Projekti / Programi
Piezoelektrični biomateriali za regeneracijo s pomočjo elektro-stimulacije
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.01 |
Tehnika |
Materiali |
Anorganski nekovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T152 |
Tehnološke vede |
Kompozitni materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.10 |
Tehniške in tehnološke vede |
Nanotehnologija |
piezoelektrični biomateriali; piezoelektrični polimeri; bio- aktivni hidroksiapatit; bioreaktor; elektro-stimulacija celic
Raziskovalci (21)
Organizacije (3)
Povzetek
Nekatere človeku-lastne makromolekule (kolagen, fibronektin, DNK, it.) imajo posebno lastnost, da ob mehanski deformaciji generirajo električno polje (piezoelektričnost). Mehansko deformacijo makromolekul povzročijo v telesu prisotne mehanske sile, ki so posledica gibanja telesa, krvnega pritiska ali celo adhezije celic. Tako generirana električna polja makromolekul pa imajo lahko močan vpliv na biološki odziv celic (rast, diferenciacija, sproščanje signalnih molekul, genska ekspresija, itd.) in imajo velik pomen pri regeneraciji tkiva.
Zgoraj omenjeni mehanizem je glavna ideja elektro-stimulirane tkivne regeneracije kot nove in zelo perspektivne veje v tkivnem inženirstvu. Obstoječi elektro-stimulatorji, ki se trenutno uporabljajo v kliniki so sestavljeni iz bio-inertnih elektrod, ki se jih vsadi v organizem in poveže z zunanjim električnim tokov. Čeprav je bilo pokazano, da elektro-stimulatorji drastično ojačajo regeneracijo tkiv in ran, imajo veliko slabosti, ki so predvsem povezani z draženjem in bolečino okoliškega tkiva, ki prekriva vsadek/elektrodo, toksičnostjo in zavrnitve vsadka in potreba po dodatnih operaciji za odstranitev vsadka po končani terapiji.
Glavna ideja projekta je razvoj inovativnih, biorazgradljivih in piezoelektričnih nosilcev, ki bodo generirali električno polje preko izkoriščanja endogenske mehanske deformacije (pritrditev in vraščanje celic in mikrocirkulacija). Takšni piezoelektrični biomateriali s sposobnostjo energijskega samonapajanja bodo lahko nadomestili trenutno uporabljene elektro-stimulatorje, ki so odvisni od zunanjega električnega napajanja. Inovativni piezoelektrični biomateriali bodo kompoziti piezopolimerov (PVDF in/ali PLLA) in bioaktivnega apatita. Glavne prednosti takšne sestave bodo: i) mehkejši in bolj kompatibilen kontakt z okoliškimi celicami in tkivom, kar bo omogočal polimerni matriks (PVDF in PLLA), ii) dobra biokompatibilnost, iii) biološki razpad piezoelektričnih biomaterialov po opravljeni funkciji in regeneraciji tkiva , kar bo omogočeno preko uporabe biorazgradljivih PLLA in bioresorbilnega apatita.
Projekt je koncipiran kot triletni projekt in bo vključeval:
Pripravo inovativnih piezo-biomaterialov in njihove procesiranje v piezo-nosilce
Testiranje in vitro stabilnosti, biorazgradnje in zanesljivosti piezonosilcev,
Izgradnja bioreaktorja za dokaz koncepta
Elektro-stimulacija liposomov (kot celičnih modelov) za tvorbo simuliranih modelov, kar bo koleriralo z lastnostmi piezonosilcev s karakteristikami celičnih membran.
Testiranje hemokompatibilnosti piezonosilcev in raziskava efektov elektrostimulacije na osteoblasti, mioblasti in živčne celične linije kot zadnji dokaz koncepta.
Predlagan projekt je zelo inovativen in vključuje visok potencial za preboj na področju elektrostimulacije kot nove veje tkivnega inženirstva. Sodelava v projektu bo združila dolga leta izkušenj Odseka za sodobne materiale na IJS na področju razvoja piezoelektrikov in biomaterialov in kompetence Skupine za Biofiziko iz Fakultete za Elektrotehniko (Univerza v Ljubljani) in Zdravstvene Fakultete pri raziskavah interakcij med materiali in celicami ter celičnimi modeli. Sodelava bo omogočila novo znanje na inovativnem področju piezoelektričnih biomaterialov in njegovo aplikacijo v tkivnem inženirstvu in nove izkušnje, kar bo uspešno uporabljeno za tvorbo novih konzorcijev, planiranje in pri novih nacionalnih in mednarodnih raziskovalnih projektih.
Pomen za razvoj znanosti
Glavni znanstveni preboj se pričakuje v učinkovitosti in medicinski uporabnosti razvitih piezoelektričnih biorazgradljivih kompozitov (PLLA)1-x-(PVDF)x-(HAp)y (x=0-0,2; y=0-1). Predlagana študija bo sploh prvi primer uporabe biorazgradljivih sintetičnih piezoelektrikov za namene pospeševanja regeneracije tkiv preko elektro-stimulacije. Razviti piezoelektrični kompoziti bodo vključevali sledeče lastnosti:
(i) (i) Energijsko samonapajanje: Razviti piezoelektrični kompoziti bodo omogočali elektro-stimulacijo okoliškega tkiva neodvisno od zunanjih virov električne energije, kar je temelj delovanja obstoječih elektro-stimulatorjev, ki se uporabljajo v kliniki.
(ii) (ii) Učinkovita elektro-stimulacija: Razviti piezoelektrični kompoziti bodo med operacijo vstavljeni neposredno na mesto poškodbe in posledično bodo omogočali direktno elektro-stimulacijo poškodovanega tkiva.
(iii) (iii) Izboljšana biokompatibilnost:
Biokompatibilne komponente. Pripravljeni piezoelektrični elektro-stimulatorji bodo sestavljeni iz že znanih biokompatibilnih materialov, ki se že vrsto let uporabljajo v medicini (PLLA, PVDF, HAp).
Primerne dimenzije in ujemanje z mehanskimi lastnostmi tkiva. Majhna debelina, primerne mehanske lastnosti in fleksibilnost polimernegih piezoelektrikov bodo omogočali izboljšan kontakt med tkivom in biomaterialom in posledično bolj učinkovito zdravljenje z elektrostimulacijo.
Biorazgradljivost. Projekt bo usmerjen v razvoj biorazgradljivih piezoelektričnih kompozitov katerih novost in pomembna lastnost bo, da se bodo po opravljeni funkciji pri regeneraciji tkiva razgradili in izločili iz telesa po naravnih poti.
(iv) (iv) Izboljšane piezoelektrične lastnosti. V predlaganem projektu bomo prvič do sedaj uporabili koncept biomimetike za ojačanje piezoelektričnosti PLLA in PVDF polimerov. Koncept ojačanje piezoelektričnosti preko senčenja vode z nanodelci HAp bomo raziskali na primeru PLLA in PVDF polimerov. Oba polimera sta že zelo dobro raziskana in se že vrsto let uporabljata v industriji za različne aplikacije. Kljub temu pa še noben ni poročal o možnostih izboljšanja in kontrole njihovih piezoelektričnih lastnosti. Identifikacija ter podrobna raziskava fenomena senčenja vode na PLLA in PVDF bo predstavljala velik znanstveni preboj, ne samo na področju piezoelektričnih materialov in elektro-stimulatorjev, vendar bo tudi vpeljala nov koncept na področju tkivnega inženirstva in regenerativne medicine.
Rezultat raziskav bo razvoj nove tehnologije za pripravo in procesiranje piezoelektričnih kompozitov. Pridobljeno znanje lahko postane mejnik v proizvodnji nove generacije biomedicinskih izdelkov z visoko dodano vrednostjo. Raziskave v okviru projekta so pionirske in lahko sprožijo nadaljnje raziskave za oblikovanje drugih biomedicinskih naprav s podobnimi lastnostmi.Pridobljena znanja in izkušnje bodo pripomogla k doseganju znanstvene odličnosti na področju bio(piezo)materialov.
Pomen za razvoj Slovenije
Tkivno inženirstvo nudi možnosti za napredno zdravljenje poškodb in bolezni, ki jih klasični medicinski postopki ne morejo pozdraviti. Tkivno inženirstvo se največ uporablja pri kostnih regeneracijah, v splošnem pa uporaba tkivnega inženirstva raste iz leta v leto. Leta 2003 je bilo 700.000 pacientov z zlomi kosti. Novi podatki kažejo na signifikanten porast v številu zlomov kolko (280.000), hrbtnih vretenc (700.000) in dlani (250.000). Do leta 2050 bo svetovna populacija narasla na 8.9 miljard, kar bo vključevalo visok odstotek ljudi starejših od 60 let in tudi višji odstotek bolnih in poškodovanih ljudi, kar po povečalo potrebo po zdravljenju s tkivnim inženirstvom.
Razvoj biokompatibilnih piezoelektričnih biomateriala bo predstavljal velik preboj na področju regenerativne medicine, saj bo omogočal dodatno funkcionalnost obstoječim biomaterialom za tkivno regeneracijo z električno stimulacijo. Originalnost projekta je predvsem v izdelavi biorazgradljivega piezoelektričnega materiala z uporabo že poznanih in v medicini uporabljenih materialov (PLLA, PVDF, HAp). Predviden potencial za ustvarjanje dodane vrednosti je visok, saj z razvojem novega biorazgradljivega piezoelektričnega biomateriala ciljamo na rastoči trg medicinskih vsadkov. Pričakujemo, da bodo rezultati projekta pozitivno vplivali na sodelovanje med raziskovalnimi organizacijami in industrijo, pridobljeno novo znanje na tem področju pa bo gotovo pripomoglo tudi k večjim investicijam gospodarstva v izdelavo novih medicinskih pripomočkov. Podjetja bodo lahko razširila svoje panoge, povečala prihodke, postala bolj konkurenčna, odprla se bodo tudi nova delovna mesta za visoko izobražene kadre. Rezultate raziskav bomo tekom projekta objavili v uglednih znanstvenih revijah. Pred objavo rezultatov bomo pridobljena znanja in tehnološke rešitve bomo zaščitili s prijavo nacionalnih in mednarodnih patentov.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo
