Projekti / Programi
Nova biorazgradljiva Fe-Mn zlitina izdelana z konvencionalnim postopkom in s postopkom dodajnih tehnologij s prilagojeno biorazgradljivostjo
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.02 |
Tehnika |
Materiali |
Kovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T450 |
Tehnološke vede |
Kovinska tehnologija, metalurgija, kovinski izdelki |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.05 |
Tehniške in tehnološke vede |
Materiali |
biorazgradljivi implantat, Fe-Mn zlitina, dodajne tehnologije, žilna opornica, porozen implantat, inženiring mej zrn,lasersko površinsko teksturiranje
Raziskovalci (16)
Organizacije (3)
Povzetek
Biorazgradljivi kovinski materiali so bioaktivni materiali z začasno podporno funkcijo, ki se postopoma razgrajujejo brez negativnega vpliva na organizem. Raziskave so usmerjene v tri skupine materialov in sicer na zlitine na osnovi Mg, Zn in Fe, od katerih ima vsaka vsaj eno bistveno pomanjkljivost. Pri predlaganem projektu se bomo osredotočali na razvoj novih biorazgradljivih Fe-Mn zlitin, z odličnimi mehanskimi lastnostmi, kar jih uvršča med idealne kandidate za uporabo implantatov, kjer je potrebna dolgotrajnejša podpora. Trenutno je glavna pomanjkljivost zlitin na osnovi Fe-Mn njihova prepočasna razgradnja, zato se bomo v predlaganem projektu osredotočili na razvoj novih Fe-Mn zlitin s pospešeno biorazgradljivostjo.
Predlagani raziskovalni projekt je osredotočen na avstenitne Fe-Mn zlitine z namenom spreminjanja oz. prilaganja njihove stopnje razgradljivosti glede na značilnost uporabe. V sklopu konvencionalnih metalurških pristopov se bomo osredotočali na kemijsko legiranje, inženiring mej zrn in površinsko lasersko teksturiranje. Z inženiringom mej zrn bomo povečali meje zrn, ki so korozijsko manj odporne in dodatno zmanjšali število mej zrn, ki so korozijsko odpornejše. To je mogoče doseči tako, da se material izpostavi večjim deformacijam, s čimer se kopičijo številne dislokacije. Za dosego rekistalizacije zrn sledi daljša nizko-temperaturna toplotna obdelava, kjer je večina mej zrn nekoherentna. Vzporedno s konvencionalnim metalurškim sklopom bomo uporabili izbrano lito Fe-Mn zlitino za proizvodnjo prahov kot izhodni material za izdelavo produktov v vzporednem sklopu dodajnih tehnologij (AM). AM tehnologija omogoča izgradnjo poroznih, votlih struktur za izdelavo žilnih opornic in za druge ortopedske implantate z začasno podporno funkcijo. S tem je omogočena izdelava implantatov s povečano površino, kar poveča hitrost korozije in omogoča doseganje želenih antibakterijskih lastnosti, kar vse skupaj vodi k boljši regeneraciji tkiv. Porozna struktura implantata nudi tudi boljše vraščanje tkiva in povečano rast tkivnih celic, dodatno legiranje s srebrom pa omogoča doseganje antibakterijskih lastnosti. Ustrezni procesni parametri SLM postopka bodo izbrani tako, da bomo dobili hierarhično strukturo s prilagojenimi mehanskimi lastnostmi in večjo razgradljivostjo. Raziskali bomo možnosti oblikovanja dislokacijske podstrukture z visoko kemijsko segregacijo. Dodatno bomo še povečali korozijsko hitrost z mešanjem kovinskih prahov z različnimi redoks potenciali.
Predlagani projekt prinaša nove vidike oblikovanja biorazgradljivih kovinskih materialov za biomedicinsko uporabo z vpeljavo različnih pristopov, ki odstopajo od običajnega metalurškega pristopa. Na eni strani je konvencionalni metalurški pristop kombiniran s površinskim laserskim teksturiranjem, na drugi strani pa se uporabljajo dodajne tehnologije na osnovi laserske posteljne metode. Tako se odpirajo popolnoma nove poti za razvoj novih biorazgradljivih zlitin za biomedicinske aplikacije. Predlagane raziskave torej odpirajo možnosti za razvoj popolnoma novih raziskovalnih smeri, ki so osnovane na interdisciplinarnem poskusu združevanja fotonike, znanosti o materialih in medicine, kar je tudi v skladu s strategijo Evropske Komisije. Najpomembnejše je, da takšni absorpcijski implantati odpravljajo potrebo po dodatnih kirurških postopkih in zato bistveno skrajšajo celoten čas rehabilitacije. Poleg tega takšni implantati prispevajo k boljši kakovosti življenja pacientov, znižujejo stopnjo smrtnosti in zmanjšujejo dodatne stroške zdravljenja.
Pomen za razvoj znanosti
Predlagani projekt bo potekal v okviru interdisciplinarnega sodelovanja, ki združuje raziskovalce s področja kemije, fizike, metalurgije in strojništva, zato pričakujemo pomemben prispevek k izvirnim znanstvenim in uporabnim rezultatom. Biološko razgradljive kovine in zlitine zahtevajo vse večjo pozornost za aplikacije implantatov, zlasti za skeletni in krvožilni sistem. Prednosti prilagojene degradacije začasnih podpornih sistemov omogočajo uspešno zdravljenje obolelih tkiv, hkrati pa odpravljajo možne pomanjkljivosti trajnih vsadkov, kot so ponovna operacija, dolgotrajno fizično draženje, kronično vnetje, pomanjkanje prilagajanja rasti ali restenoza pri žilnih opornicah.
Predlagani projekt prinaša nove vidike izdelave biorazgradljivih kovinskih materialov za biomedicinske aplikacije z uvedbo različnih pristopov. Združuje konvencionalni metalurški pristop z naprednimi laserskimi tehnikami, kot so površinsko lasersko teksturiranje in dodajne tehnologije. To odpira popolnoma nove poti za razvoj biorazgradljivih zlitin, ki imajo velik potencial za biomedicinske aplikacije. Predlagani projekt odpira možnost razvoja popolnoma novih raziskovalnih smeri, ki temeljijo na interdisciplinarnem pristopu, ki združuje fotoniko, znanost o materialih in medicino.
Inženiring mej zrn je pomemben pristop za spremembo korozijskih lastnosti kovinskih materialov. Dosedanje raziskave so bile usmerjene v izboljšanje korozijskih lastnosti zlitin, neraziskano pa je področje povečanja korozije z inženiringom mej zrn. Pridobljeno znanje s tega področja bo omogočilo uporabo le-tega tudi na drugih raziskovalnih področjih.
Razvoj novih implantatov z uporabo dodajnih tehnologij je v porastu, vendar pa so raziskave biorazgradljivih implantatov z AM tehnologijo zelo redke. Ta tehnologija omogoča svobodo oblikovanja delov s porozno strukturo in možnostjo posnemanja naravne strukture kosti in drugih bioloških delov. Ustrezne mehanske lastnosti lahko prilagodimo lastnostim kosti, porozna struktura omogoča tudi povečano korozijo zaradi večje površine. Implantati morajo imeti podobno poroznost naravnih kosti, da lažji prehod celic in hranil. Pridobivanje znanja na interdisciplinarnem področju znanosti o materialih in medicini je ključnega pomena za razvoj implantatov.
Preučili bomo tudi vpliv mešanja različnih prahov pri AM tehnologiji z namenom prilagoditve hitrosti korozije in drugih lastnosti razvitega materiala. Ta pristop nam omogoča ustvarjanje materialov, ki jih ni mogoče izdelati s konvencionalnimi metalurškimi pristopi. Pričakujemo, da bo to znanje koristno tudi na drugih področjih razvoja materialov.
Pomen za razvoj Slovenije
The project will be an intensive, interdisciplinary collaboration that brings together researchers from the fields of chemistry, physics, metallurgy and mechanical engineering. As a result, we expect to see the output of important, original, basic science results, as well as results that have a strong application potential. Biodegradable alloys are gaining attention for implant applications, in particular for the skeletal and vascular systems. The advantages of the tailored degradation of temporary supporting devices allow healing processes for diseased tissue, while the possible disadvantages of permanent implants, like revision surgery, prolonged physical irritation, chronic inflammation, lacking adaptation to growth, or in-stent restenosis, can be overcome. The proposed project brings new aspects to the design of absorbable metallic materials for biomedical applications by introducing different approaches. It combines a conventional metallurgical approach with advanced laser techniques, such as surface laser texturing and AM. Therefore, it opens up new routes for the development of new, bio-absorbing alloys that have tremendous potential to become important for a diversity of biomedical applications. In this way, the proposed research opens up the possibility for the development of new research directions based on an interdisciplinary approach, combining photonics, materials science and medicine. Grain-boundary engineering is an important approach to dramatically changing the corrosion properties of metallic materials. Researchers have, for a long time, made enormous efforts to improve the corrosion of metals, but there is lack of information about using grain-boundary engineering to enhance corrosion. Gaining knowledge in this field will open up a completely new research area and make it possible to also use this knowledge in other research fields. More and more researchers are trying to develop new implants by using AM. However, only few are using AM to build biodegradable implants. With AM technology we have the freedom of design and can develop parts with a porous structure and the possibility to mimic the natural structure of bones. Porous structures enable us to tailor the proper mechanical properties, similar to that of bones. Porous structures also enable enhanced corrosion with an increased surface area. The implants should have a similar porosity to that of natural bones in order to transfer cells, nutrients, etc. Gaining knowledge in the interdisciplinary field of material science and medicine is crucial for implants’ development. Furthermore, we will study the influence of mixing different powders in order to tailor the corrosion and other properties of the developed material using AM technology. This approach allows us to create materials that are not possible to produce with conventional metallurgical approaches. It is expected that this knowledge will be used in research areas that go far beyond the boundaries of this project.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
