Projekti / Programi
Napredne tehnologije obdelave individualiziranih 3D tiskanih implantatov za preprečevanje bakterijskih okužb
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 3.02.00 |
Medicina |
Stomatologija |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| B000 |
Biomedicinske vede |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| 3.02 |
Medicinske in zdravstvene vede |
Klinična medicina |
obdelava površin, nanostruktura, plinska plazma, hidrotermalna obdelava, 3D printanje, biokompatibilnost, titanove zlitine
Raziskovalci (21)
Organizacije (3)
Povzetek
Napredne tehnologije obdelave individualiziranih 3D tiskanih implantatov za preprečevanje bakterijskih okužb
Bakterijske okužbe, ki se vežejo na različne površine predstavljajo enega največjih vzrokov umrljivosti v modernem svetu. Preventivno preprečevanje vezave bakterij in nastajanja biofilmov na površinah medicinskih naprav in implantatov je trenutno zelo vroča tema, ki je pomembna na področju medicine in družbe. Tako je namen predlaganega projekta, da se osredotoči predvsem na to tematiko. Poudarek projekta je na površinski obdelavi 3D tiskanih individualiziranih medicinskih vsadkov iz titanovih zlitin, ki pridobivajo na pomembnosti predvsem zaradi možnosti izdelave specifičnih oblik, ki se ujemajo s specifično anatomijo pacienta (individualizirani implantati). Kljub vsemu vsemu pa tudi te 3D tiskani materiali ne nudijo primernega biološkega odziva, predvsem antibakterijskih lastnosti. Glavni cilj projekta je spremeniti površinske lastnosti individualiziranih implantatov izdelanih s tehnologijo selektivnega laserskega taljenja iz titanovih zlitin (Ti6Al4V ELI) z namenom preprečevanja bakterijskih okužb in tvorbe biofilmov, istočasno pa tudi izboljšati osteointegracijo. To bomo dosegli s spreminjanem pomembnih lastnosti površine, kot so nanotopografija, kemija in omočljivost, ki igrajo pomembno vlogo pri biološkem odzivu. Študirali bomo tudi vpliv morfoloških lastnosti 3D tiskanih implantatov (npr. trabekularne zunanje strukture) na napredne tehnološke postopke obdelave.
Glavni cilji projekta so:
i.) Tvorba nanostrukturirane- biomimetične površine s hidrotemično obdelavo (HT), ki bo zamnjšala vezavo bakterij in tvorbo biofilmov.
ii.) Zaviralni vpliv na vezavo bakterij in tvorbo biofilmov ter povečanje osteointegracije z uporabo visoko reaktivne plinske plazme.
iii.) Določanje vplivov morfoloških lastnosti 3D tiskanih površin (različne mikrostrukturirane površine) na nadaljnje postopke obdelave- hidrotermična in plazemska obdelava.
iv.) Študija sinergističnih vplivov različnih obdelovalnih tehnik; hidrotermična in plazemska obdelava površine za namen doseganja izoboljšanih lastnosti površin (preprečevanje adhezije bakterij, nastanek biofilmov, povečanje osteointegracije).
v.) Optimizacija površinske obdelave (nanotopografija, kemija, omočljivost) za zmanjšanje adhezije bakterij in povečanje osteointegracije.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati raziskav bodo doprinesli pomembno znanje na področju modifikacije površine individualiziranih 3D tiskanih implantatov z biološkim medijem, predvsem gram pozitivnimi in gram negativnimi bakterijami. Mehanizmi interakcij nanostrukturiranih površin s celicami
so še vedno slabo poznani, predvsem zaradi dejstva, da se različne vrste celic različno odzovejo na določene nanostrukture. Trenutno je razvoj anti-bakterijskih medicinskih implantatov še vedno zelo kompleksen, saj še danes ne obstajajo potrebne informacije o tem katere lastnost površine imajo ključen pomen za uspešno preprečevanje adhezije bakterij na površine ter razraščanje biofilmov. Z razvojem nanotehnologij se je povečala možnost za izdelovanje biomimetičnih površin, ki posnemajo naravno strukturiranost tkiva in s tem omogočajo primeren biološki odziv. Zato je za nadaljen razvoj medicinskih pripomočkov v stiku z biološkim materialom ključnega pomena, da študiramo vplive različnih nanostruktur na adhezijo bakterij. Pridobljeno znanje lahko predstavlja mejnik v proizvodnji nove generacije biomimetičnih ortopedskih, hrbteničnih, maksilofascialnih in dentalnih implantatov, ki bodo bistveno zmanjšale do sedaj poznane nezaželene bakterijske infekcije ter ob tem tudi povečale osteointegracijo in bodo imele visoko dodano vrednost. Rezultati predlaganega projekta bodo omogočili razvoj nove generacije površin, ki bodo zmanjšale po-operativne zaplete ter tveganje z infekcijami.
Predlagan projekt bo pripomogel k razumevanju novih mehanizmov in bo podal smernice za razvoj novih tehnik obdelave površin, ki jih bo mogoče enostavno implementirati v praksi. Pridobljeno znanje predstavlja velik potencial, da postane preskok v razvoji novih tehnik za obdelavo titanovih medicinskih pripomočkov, osnovne interakcije površin z biološkim okoljem pa bodo ključnega pomena tudi pri razvoju tehnik za obdelavo drugih medicinskih pripomočkov (polimernih). Razvoj predstavlja novo raziskovalno smer, ki temelji na zelo naprednih in hitro rastočih tehnologija; 3D tiskanje in plinska plazma.
Delo na projektu bo izrazito intradisciplinarne in transdisciplinarne narave, saj bo zahtevalo tesno sodelovanje raziskovalcev iz različnih področij (fizike, kemije, mikrobiologije, strojništva itd.), s čemer bomo prišli do novih spoznanj in znanja, ki ga bomo lahko uporabili na različnih področjih delovanja.
Pomen za razvoj Slovenije
By combining the knowledge in the field of surface modification of 3D printed individualized implants (hydrothermal and plasma treatment), and interactions with biological environment new insights on this highly relevant topic are foreseen. Systematic research in this field will provide better insights on the influence of surface modification on biological response, with the emphasis on adhesion of gram negative and gram positive bacteria strains. The influence of nanotopography on interaction with biological material is still poorly understood, as different cell types reacts differently to nanotopographic features. Presently designing of an bacterial implant surface by altering surface nanotopographic features is highly challenging, as so far no exact information about which surface parameters actually play a predominant role in bacteria adhesion and biofilm formation. Moreover surface chemistry is also an important aspect which will be systematically studied during project duration. With the development of nanotechnologies we are now able to produce biomimetic surfaces, which mimics natural nanostructure of tissue and could provide appropriate biological response. For further development of optimal titanium implantable device the influence of different surface nanotopographies on bacterial adhesion is of major importance. The gained knowledge may become a milestone in production of the new generation of high value added biomimetic medical implants, which will significantly improve not only bacterial infections and reduce biofilm formation but also improve osteointegration. This may lead to the development of new generation individualized orthopaedic, spinal, maxillofacial and dental implants, which will reduce post-surgical complication and lower the risks of infections.
The proposed project will provide new understanding on bacterial adhesion mechanisms and will give basis for development of novel surface finishing techniques that could be easily employed in practice. Thus the gained knowledge has a high potential to become a milestone in surface finishing of medical devices made of titanium alloys, while novel findings on bacteria surface interaction will provide basic knowledge even for surface modification of medical devices made of other materials (also polymeric ones). This may open new research doors for development of medical filed, which will be driven by two currently highly advanced rapidly growing technologies; 3D printing and gaseous plasma technologies. Both of these technologies are gaining its importance in the medical filed as they offer numerous unexploited possibilities. Due to highly interdisciplinary and transdisciplinary work needed to reach the innovation potential people from different fields (biology, material science, microbiology, mechanical engineering, electro engineering, chemical engineering etc) will need to work together in tight collaboration. The proposed project is based on such team and the anticipated results have high potential, not only for the research filed but also for the society and economy.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
