Projekti / Programi
Antibakterijske nanostrukturirane zaščitne plasti za biološke aplikacije
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.04.02 |
Tehnika |
Materiali |
Kovinski materiali |
| Koda |
Veda |
Področje |
| T155 |
Tehnološke vede |
Prevleke in površinska obdelava |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.10 |
Tehniške in tehnološke vede |
Nanotehnologija |
prevleke proti biološkemu nalaganju, antibakterijske prevleke, hibridne prevleke, korozija,
superhidrofobnost, nanostrukturiranje
Raziskovalci (13)
Organizacije (2)
Povzetek
Predlagani raziskovalni projekt je namenjen dizajniranju hibridnih anorganskih/organskih prevlek s pomočjo različnih pristopov molekularnega inženiringa za zaščito površin iz nerjavnega jekla pred problemi povezanimi z biološkim nalaganjem organizmov v različnih naravnih okoljih. Osredotočali se bomo na izboljšanje tehnologij za zaviranje korozije in preprečevanje biološkega nalaganja z antibakterijskim učinkom z zmanjšanim negativnim vplivom na okolje, ki bodo zmanjšale stopnjo biološkega nalaganja preko fizikalno-kemijskih lastnosti površine. Osredotočili se bomo na razvoj hibridnih anorganskih/organskih premazov, ki temeljijo na podobnih inženirskih pristopih, vendar se razlikujejo v posebnih ciljanih lastnostih. Pripravljene nanostrukturirane površine bomo fizikalno, kemijsko in mehansko ovrednotili. Rezultati bodo iterativno uporabljeni za spreminjanje in izboljšanje obstoječih tehnologij. Najbolj obetavne strategije bomo razvili in ovrednotili za možne končne aplikacije v vodnem okolju in v biomedicini.
Glavni namen naše raziskave bo priprava kompozitov (nanodelci/epoksi, nanodelci/PEG in nanodelci/PDMS), ki bodo služili kot zaščitne prevleke na dveh tipih jekel – dupleks jeklo (DSS 2205) in avstenitno nerjavno jeklo (AISI 316L in AISI 304L). Osredotočili se bomo na optimizacijo priprave kompozitnih prevlek z modernimi metodami molekularnega inženiringa za pripravo nanostrukturirane površine, ki bo preprečila/zmanjšala adhezijo bioloških organizmov preko fizikalno-kemijskih lastnosti prevleke. Izbrali bomo primeren tip, koncentracijo in velikost nanodelcev za dosego željenih lastnosti. Zaradi velikega razmerja površina/prostornina pri nanodelcih, je za določitev lastnosti polimerne matrice (in posledično tudi kompozita kot celote) zelo pomembna površinska kemija. Na drugi strani stopnja disperzije in mešanja nanodelcev v polimeru igra pomembno vlogo pri izražanju lastnosti nanodelcev v kompozitu. Da bi čimbolj zmanjšali površinsko energijo bomo poskušali tudi z različnimi funkcionalizacijami nanodelcev (npr. floriranje) in spreminjanjem nanohrapavosti prevlek, kar omočljivost lahko pripelje do superhidrofobne limite.
Vse pripravljene prevleke bomo natančno analizirali in določili njihovo mikrostrukturo, mehanske lastnosti in korozijsko odpornost v različnih razmerah (morska voda, fiziološka raztopina, itd.). Prevleke bomo preiskali z mikroskopskimi in spektroskopskimi metodami in pri tem uporabili svetlobno in elektronsko mikroskopijo in metode površinske analize kot so Augerjeva elektronska spektroskopija (AES), fotoelektronska spektroskopija z žarki-X (XPS), spektrometrijo z energijsko disperzijo žarkov-X (EDS), spektroskopija z disperzijo valovne dolžine žarkov-X (WDS), visoko-resolucijsko transmisijsko elektronsko mikroskopijo (TEM), in mikroskopijo na atomsko silo (AFM). Opravili bomo tudi mehanske teste s katerimi bomo merili adhezijo prevleke s t.i. “pull-off” testom, merili bomo obrabo in druge tribološke značilnosti površine izbranih pogojih. Omočljivost površine (hidrofobnost) bomo merili preko meritve kontaktnega kota in površinske energije, korozijske lastnosti pa z elektrokemijskimi tehnikami kot so: ciklična voltametrija, potenciodinamske meritve in elektrokemijska impedančna spektroskopija. Z atomsko emisijsko spektroskopijo z indukcijsko sklopljeno plazmo bomo ocenili prisotnost kovinskih ionov v simuliranih fizioloških pogojih pri daljši izpostavitvi kovinskih vzorcev.
V sklopu predlaganega projekta si bomo prizadevali pridobiti ustrezno temeljno znanje za izdelavo hibridnih anorganskih/organskih prevlek z visoko dodano vrednostjo za uporabo v bioloških medijih.
Pomen za razvoj znanosti
Ker se problematike lotevamo v sklopu interdisciplinarnega sodelovanja, ki združuje raziskovalce s področja kemije, fizike, metalurgije in strojništva pričakujemo, da bodo rezultati predlaganega projekta prinesli izvirne znanstveno-raziskovalne in aplikativne rezultate. Polimerne prevleke za zaviranje biološkega nalaganja bomo nadgradili v hibridne prevleke z dodanimi nanodelci, z dodatno funkcionalizacijo le-teh pa bomo dosegli izboljšane protiadhezivne lastnosti, protibakteriske lastnosti, zmanjšano omočljivost in večjo zaščito pred mikrobiološko pogojeno korozijo v primerjavi s tržno dostopnimi prevlekami.
Pomen za razvoj Slovenije
Projekt bo razvil nove okolju prijazne tehnološke rešitve z namenom uravnotežiti družbene cilje glede varnosti, zdravja in ekologije z industrijsko konkurenčnostjo ob zmanjšanju uporabe toksičnih in dragih kemikalij. Projekt bo imel pomembno vlogo pri reševanju ekonomskih problemov z vidika zmanjšanja stroškov povezanih s povečanjem trenja pri biološkem nalaganju na ladijske trupe in jadrnice. Poleg tega ima biološko nalaganje organizmov na dovodne strukture, zaslone, podvodne cevi in toplotne izmenjevalce v elektrarnah negativni vpliv na zmogljivost le-te in s tem tudi velik ekonomski vpliv.
Raziskovalna skupina predlaganega projekta je tudi aktivno vključena v evropski program Metallurgy Europe - Renaissance programme za obdobje 2012-2022, ki metalurgijo zaradi strateškega pomena kovinskih materialov na vseh področjih uvršča v prioritetna razvojna področja. V tej iniciativi so zaradi pomena tehnološkega razvoja novih materialov in njihove uporabe združena nekatera največja evropska industrijska podjetja kot npr.: Airbus Group, Siemens, Daimler, BMW, Rolls-Royce, Philips, Linde, ESI, Arcellor Mittal, Sandvik, SKF, Thyssen Krupp, Tata Steel, Fiat in številni drugi. V iniciativi je pomembno zastopano tudi podpodročje Bio-Implanted Devices, ki združuje industrijske partnerje, raziskovalne inštitute in univerze s področja biokompatibilnih materialov, kjer se aktivno vključujemo. V ta namen smo sodelovali pri pripravi dokumenta »Strategija razvoja metalurgije v Sloveniji 2015-2025«. V strategiji pametne specializacije Republike Slovenije sta domeni medicina ter razvoj materialov kot končnih produktov identificirani kot dve izmed najperspektivnejših tehnoloških področij, ki sta že nedvoumno vključeni na globalne trge. V okvirih pobude bo potekalo okrepljeno mednarodno sodelovanje z visoko razvito tehnologijo na področjih medicinsko/bioloških aplikacij.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Vmesno poročilo,
zaključno poročilo
