NIMP| Biofunctionalizarea implanturilor de titan cu geometrie 3D cu filme de biosticla cu proprietati de bioactivitate si aderenta ridicate sintetizate prin pulverizare magnetron: de la cercetare la productie (MAGLASS)

Biofunctionalizarea implanturilor de titan cu geometrie 3D cu filme de biosticla cu proprietati de bioactivitate si aderenta ridicate sintetizate prin pulverizare magnetron: de la cercetare la productie (MAGLASS)

Project Director: Dr. George STAN

Home Project Teams Scientific Results Didactic Activities Publications Contact

Cod Proiect: PN-II-RU-TE-2011-3-0164

Director de Proiect: Dr. George Stan

Tipul Proiectului: National

Programul de incadrare al proiectului: RESURSE UMANE, Tinere Echipe

Finantat de: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI)

Contractor: Institutul National C-D pentru Fizica Materialelor

Project Status: Finalizat

Data Inceperii: 1 Octombrie, 2011

Data Finalizarii: 1 Octombrie, 2014

Rezumatul Proiectului:

Sticlele bioactive sau biosticlele (BG) sunt materiale anorganice osteoproductive care prezinta abilitatea de a induce formarea unei legaturi biochimice puternice cu tesuturile osoase si de a intensifica procesul de osteosinteza. Din cauza aderentei lor precare, determinata in principal de diferentele semnificative ale coeficientilor de dilatare termica ai BG si substratului implantologic de Ti, pana in prezent nu au putut fi dezvoltate acoperiri tip implant comerciale de biosticla. Progresele recente realizate in domeniile sintezei si procesarii biosticlelor, care au permis formularea si prepararea de noi sisteme compozitionale cu coeficienti de dilatare termica mai mici si bioactivitate crescuta, au determinat insa, revigorarea chestiunii sintetizarii de acoperiri BG ca solutii biomedicale viabile pentru aplicatiile cu incarcari mecanice mari (ex.: proteze articulare, implanturi dentare). Proiectul va propune tehnologia pulverizarii in plasma magnetron ca solutie optima de depunere a acoperirilor biofunctionale BG, cu scopul de a crea o noua clasa de implanturi cu timp de viata extins, care nu vor mai necesita operatii de revizie. Solutii pentru imbunatatirea aderentei filmelor BG la substratul implantologic metalic vor fi prospectate. Acoperirile tip implant vor fi caracterizate multiparametric prin: FTIR, Raman, XPS, XRD, SEM-EDS, TEM, incercari „pull-out” si nanoindentare. Biofunctionalitatea lor va fi testata prin teste in vitro in solutii cu concentratie congruenta mediului intercelular: solutia clasica „SBF-Kokubo” (ISO/FDIS 23317:2007) si un test inovativ realizat in mediu de cultura celulara DMEM la 37°C si presiune partiala 5% CO₂. Citotoxicitatea, bioactivitatea si capacitatea de inducere a diferentierii va fi studiata exhaustiv prin teste in vitro pe culturi de celule stem si osteoblaste.

Obiectivele Proiectului:

OBIECTIV GENERAL: Dezvoltarea unei noi generatii de implanturi dentare osteoinductive functionalizate cu acoperiri de biosticla cu proprietati biologice si mecanice superioare.

OBIECTIVE SPECIFICE & ACTIVITATI:

O1. Sinteza de tipuri variate de pulberi de sticle bioactive, cu coeficienti de dilatare termica (CTE) apropiati de cei ai implanturilor de titan – REALIZAT [Raport 1/2011 & Raport 2/2012].

A1.1 Obtinerea de formulatii inovative de sticle bioactive cu diferiti aditivi (B₂O₃, MgO, CaF₂, sau ZnO) cu CTE compatibili cu materialele de grad medical, precum titanul si aliajele sale implantologice.

O2. Depunerea filmelor de biosticla pe implanturi de titan cu geometrie 3D prin metoda pulverizarii magnetron in regim de radiofrecventa (RF-MS) – REALIZAT [Raport 2/2012 & RSS/2013].

A2.1 Modularea compozitiei, structurii, morfologiei, bioreactivitatii (viteza de solubilizare, rata de biomineralizare) si aderentei filmelor BG prin baleierea parametrilor de lucru RF-MS.

O3. Solutii inovative la nivel mondial de preparare a structurilor tip implant BG/Ti cu aderenta mare – REALIZAT [RSS/2013].

A3.1: Tratamente in plasma si polarizarea substraturilor metalice de depunere; A3.2: Solutii de crestere a aderentei la substrat: (i) Modelarea arhitecturii si compozitiei straturilor tampon si (ii) Inducerea de fenomene puternice de inter-difuzie, prin tratamente termice special concepute, in vederea nucleerii unor faze mixte BG-Ti la interfata substrat metalic-acoperire de biosticla.

O4. Testarea in vitro a capacitatii de biomineralizare, a structurilor BG optimizate, in solutii SBF si DMEM – REALIZAT [Raport 2/2012 & RSS/2013].

A4.1: O noua abordare asupra studiului bioactivitatii in vitro: teste comparative in SBF si in solutii sintetice complexe organic-anorganic (DMEM), care reproduc mult mai fidel mediul intercelular uman; A4.2: Procesele fizice si chimice implicate in interactiunea film BG-fluid biologic vor fi monitorizate prin tehnici complexe de caracterizare (FTIR, Raman, XPS, XRD, SEM-EDS, TEM) in vederea formularii modelului cinetic care descrie reactivitatea in vitro a filmelor subtiri de biosticla sintetizate prin RF-MS.

O5. Testarea in vitro pe model celular a biocompatibilitatii, toxicitatii si capacitatii de inducere a diferentierii – REALIZAT [RSS/2013 & Raport 4/2014].

A5.1: Obtinerea de culturi celulare imbogatite in celule stem mezenchimale si celule osteoprogenitoare; A5.2: Studii complete asupra evolutiei celulelor stem pe suprafata filmelor BG in vederea evaluarii potentialului lor in implantologia dentara.

O6. Consolidarea unui nucleu de tineri cercetatori cu rezultate foarte bune in domeniul de cercetare al biomaterialelor – REALIZAT [Raport 1/2011, Raport 2/2012, RSS/2013 & Raport 4/2014].

A6.1: Imbunatatirea abilitatilor de organizare a activitarilor de cercetare; A6.2: Publicarea de articole indexate ISI; O propunere de patent care sa introduca o noua generatie de implanturi dentare, economic avantajoase si cu timp de viata extins; A6.3: Comunicari stiintifice la conferinte internationale si workshop-uri. Activitati didactice. – REALIZAT.

Prenume NUME, varsta	POZITIE PROIECT	RANG STIINTIFIC	SPECIALIZARE	RESPONSABILITATI/ATRIBUTII	RESEARCH ID
George STAN	Director proiect	CS III	PhD, inginer stiinta materialelor	pulverizare magnetron FTIR SEM-EDS TEM, XRD teste de bioactivitate	B-5690-2011
Iuliana PASUK	Membru al echipei de cercetare	CS III	PhD, Fizician	XRD, XRR TEM	G-4084-2011
Marius-Adrian HUSANU	Membru al echipei de cercetare	CS III	PhD, Fizician	XPS FTIR Raman	B-9335-2012
Adrian-Claudiu POPA	Membru al echipei de cercetare	ACS	PhD stud., Medic	teste de biocompatibilitate tehnici de biologie moleculara TEM, SEM	K-4606-2012
Catalin RADULESCU	Membru al echipei de cercetare	Techn. I	Inginerie electrica	pulverizare magnetron mentenanta sistem de depunere	N/A

2011: RAPORT STIINTIFIC SINTETIC nr. 1 in format *.pdf disponibil la UEFISCDI;
2012: RAPORT STIINTIFIC SINTETIC nr. 2 in format *.pdf disponibil la UEFISCDI;
2013: RAPORT STIINTIFIC SINTETIC nr. 3 in format *.pdf disponibil la UEFISCDI;
2014: RAPORT STIINTIFIC SINTETIC FINAL in format *.pdf disponibil la UEFISCDI.

2012: Andreea-Alexandra NILA, anul 3 de studiu, Facultatea de Chimie Aplicata si Stiinta Materialelor, Universitatea POLITEHNICA Bucuresti, a realizat in INCDFM (11.06.2012 - 28.08.2012) un stagiu de practica POSDRU (nr. contract 90/2.1/S/58108) intitulat “FILME NANO-STRUCTURATE DE HIDROXIAPATITA SI BIOSTICLA CU POTENTIAL BIOCOMPATIBIL DEPUSE PRIN METODA PULVERIZARII IN PLASMA MAGNETRON: OBTINERE SI CARACTERIZARE", sub coordonarea Dr. George Stan (director de proiect TE49/2011).
2013: Loredana TIMOFTE, anul 4 de studiu (terminal), Facultatea de Stiinta si Ingineria Materialelor, Universitatea POLITEHNICA Bucuresti, a efectuat (01.03.2013 - 01.07.2013) studiile de cercetare din cadrul Lucrarii sale de Licenta intitulata: “DEPUNERI DE FILME SUBTIRI PRIN METODA PULVERIZARII MAGNETRON UTILIZAND UN NOU SISTEM COMPOZITIONAL DE STICLA BIOCOMPATIBILA”, sub coordonarea stiintifica a Dr. George Stan (INCDFM, director de proiect TE49/2011) si Conf.Dr. Sorin Ciuca (UPB-SIM).
2014: Claudia-Bianca BADOIU, anul 4 de studiu (terminal), Facultatea de Stiinta si Ingineria Materialelor, Universitatea POLITEHNICA Bucuresti, a efectuat (01.04.2014 - 01.07.2014) studiile de cercetare din cadrul Lucrarii sale de Licenta intitulata: “CARACTERIZAREA STRATURILOR SUBTIRI DE STICLA BIOACTIVA REALIZATE PRIN METODA PULVERIZARII – MAGNETRON”, sub coordonarea stiintifica a Dr. George Stan (INCDFM, director de proiect TE49/2011) si Conf.Dr. Sorin Ciuca (UPB-SIM).

Articole publicate in jurnale cotate Web of Science®:

01. C. Berbecaru, G.E. Stan*^{,^}, S. Pina, D.U. Tulyaganov, J.M.F. Ferreira, The bioactivity mechanism of magnetron sputtered bioglass thin films, APPL SURF SCI 258 (2012) 9840–9848; http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.06.039.
02. A. Chiriac, G.E. Stan*^{,^}, B. Iliescu, I. Poeata, The influence of host bone substrate in titanium mesh cranioplasty, DIG J NANOMATER BIOSTRUCT 8 (2013) 729–735; http://www.chalcogen.ro/729_Chiriac.pdf.
03. G.E. Stan*^{,^}, A.C. Popa^{^}, A.C. Galca, G. Aldica, J.M.F. Ferreira, Strong bonding between sputtered bioglass-ceramic films and Ti-substrate implants induced by atomic inter-diffusion post-deposition heat-treatments, APPL SURF SCI 280 (2013) 530–538; http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.05.022.
04. A.C. Popa^{^}, G.E. Stan*^{,^}, M.A. Husanu^{^}, I. Pasuk^{^}, I.D. Popescu, A.C. Popescu, I.N. Mihailescu, Multi-layer haemocompatible diamond-like carbon coatings obtained by combined radio frequency plasma-enhanced chemical vapor deposition and magnetron sputtering, J MATER SCI–MATER MED 24 (2013) 2695–2707; http://dx.doi.org/10.1007/s10856-013-5026-y.
05. A.C. Popa^{^}, V.M.F. Marquez, G.E. Stan*^{,^}, M.A. Husanu^{^}, A.C. Galca, C. Ghica, D.U. Tulyaganov, A.F. Lemos, J.M.F. Ferreira, Nanomechanical characterization of bioglass films synthesized by magnetron sputtering, THIN SOLID FILMS 553 (2014) 166–172; http://dx.doi.org/10.1016/j.tsf.2013.10.104.
06. A. Visan, D. Grossin, N. Stefan, L. Duta, F.M. Miroiu, G.E. Stan^{^}, M. Sopronyi, C. Luculescu, M. Freche, O. Marsan, C. Charvilat, S. Ciuca, I.N. Mihailescu*, Biomimetic nanocrystalline apatite coatings synthesized by matrix assisted pulsed laser evaporation for medical applications, MATER SCI ENG B 181 (2014) 56–63; http://dx.doi.org/10.1016/j.mseb.2013.11.007.
07. S. Erakovic, A. Jankovic, C. Ristoscu, L. Duta, N. Serban, A. Visan, I.N. Mihailescu*, G.E. Stan^, M. Socol, O. Iordache, I. Dumitrescu, C.R. Luculescu, Dj. Janackovic, V. MIskovic-Stankovic, Antifungal activity of Ag:hydroxyapatite thin films synthesized by pulsed laser deposition on Ti and Ti modified by TiO₂ nanotubes substrates, APPL SURF SCI 293 (2014) 37–45; http://dx.doi.org/10.1016/j.apsusc.2013.12.029.
08. L. Duta, A.C. Popa^, F. Miculescu, I.N. Mihailescu*, Ultra high molecular weight polyethylene acetabular cups functionalized with bioactive glass coatings synthesized by pulsed laser deposition, ROM REP PHYS 66 (2014) 788–800; http://www.rrp.infim.ro/2014_66_3.html.
09. A. Jankovic, S. Erakovic, C. Ristoscu, N. Mihailescu (Serban), L. Duta, A. Visan, G.E. Stan^, A.C. Popa^, M.A. Husanu^, C.R. Luculescu, V.V. Srdic, Dj. Janackovic, V. MIskovic-Stankovic, C. Bleotu, M.C. Chifriuc, I.N. Mihailescu*, Structural and biological evaluation of lignin addition to simple and silver-doped hydroxyapatite thin films synthesized by matrix-assisted pulsed laser evaporation, J MATER SCI–MATER MED 26 (2015) 17; http://dx.doi.org/10.1007/s10856-014-5299-9.
10. A.C. Popa^, G.E. Stan*^{,^}, M. Enculescu, C. Tanase, D.U. Tulyaganov, J.M.F. Ferreira*, Superior biofunctionality of dental implant fixtures uniformly coated with durable bioglass films by magnetron sputtering, J MECH BEHAV BIOMED 51 (2015) 313–327; http://dx.doi.org/10.1016/j.jmbbm.2015.07.028.
11. A.C. Popa^, G.E. Stan*^{,^}, C. Besleaga, L. Ion, V.A. Maraloiu, D.U. Tulyaganov, J.M.F. Ferreira*, Submicrometer hollow bioglass cones deposited by radio frequency magnetron sputtering: Formation mechanism, properties, and prospective biomedical applications, ACS APPL MATER INTER 8 (2016) 4357–4367; http://dx.doi.org/10.1021/acsami.6b00606.

Brevet OSIM:

01. George Stan^{^}, Adrian-Claudiu Popa^{^}, Procedeu de realizare a unui implant dentar de titan cu acoperire din sticla bioactiva, pentru restauratii dentare; OSIM patent RO130068 / published in BOPI no. 6/2020.

Conferinte si manifestari stiintifice internationale:

01. G.E. Stan^{#,^}, A.C. Popa^{^}, I. Pasuk^{^}, A.C. Galca, G. Aldica, J.M.F. Ferreira, Bioactive glass-based sputtered thin films: technological algorithms for adherence improvement, EMRS Spring Meeting, 2012 May 14-18, Strasbourg, France.
02. G.E. Stan^{#,^}, M.A. Husanu^{^}, A.C. Popa^{^}, I. Pasuk^{^}, A.C. Popescu, I.N. Mihailescu, Multi-layer haemocompatible diamond-like carbon coatings with increased functionality, EMRS Spring Meeting, 2012 May 14-18, Strasbourg, France.
03. G.E. Stan^{#,^}, A.C. Popa^{^}, A.C. Galca, G. Aldica, J.M.F. Ferreira, Strong bonding between sputtered bioglass thin films and Ti-substrate induced by atomic inter-diffusion post-deposition heat-treatments, EMRS Spring Meeting, 2013 May 27-31, Strasbourg, France.
04. G.E. Stan^{^}, A.C. Popa^{#,^}, V.M.F. Marquez, A.F. Lemos, J.M.F. Ferreira, Structural properties and mechanical performance of bioglass films deposited onto Ti-substrates by magnetron sputtering, EMRS Spring Meeting, 2013 May 27-31, Strasbourg, France.
05. A.C. Popa^, G.E. Stan^#,^, M.A. Husanu^, I. Mercioniu, L.F. Santos, S. Kapoor, J.M.F. Ferreira, Bioactivity of bioglass implant coatings in simulated body fluid environments, International Conference on Spectroscopy and Applications (ICSA), 2014 May 2-4, Hammamet, Tunisia.

*autor corespondent

#autor prezentator

^membru al echipei de cercetare a proiectului

GEORGE E. STAN, Doctor in Ingineria Materialelor

Cercetator stiintific gradul I

Telefon: +40-(0)21-2418 128 sau +40-(0)21-2418 153

Departament: Laboratorul de Materiale si Structuri Multifunctionale

PROJECTS/ PROIECTE NATIONALE