Fabricarea prin robocasting de implanturi bioceramice poroase: catre o noua generatie de substituenti ososi sintetici (ROBONEGRAFT)


Project Director: Dr. George STAN

Cod Proiect: PN-III-P1-1.1-TE-2019-0463

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

Status: Finalizat

Data Inceperii:  1 ianuarie, 2021

Data Finalizarii:  30 decembrie, 2022

 

Rezumatul Proiectului:

Cererea de transplanturi osoase este generata de deficiente sau pierderi substantiale de tesut si are multiple cauze: varsta, traume severe, afectiuni/infectii cronice osoase, rezectii tumorale, defecte congenitale. Raspunzand acestei necesitati, propunerea proiectului urmareste sa identifice noi solutii arhitecturale de substitute de grefe osoase (BGS) cu porozitate controlata, fabricate din ceramici bioactive si/sau piezoelectrice printr-o tehnologie de printare 3D accesibila si performanta (i.e. robocasting). Performanta lor functionala va fi evaluata pentru a sondarea potentialului dezvoltarii unei noi generatii de BGS capabile sa satisfaca cerintele mecanice si biologice atat ale osului spongios, cat si pe ale celui cortical. Noi cai de stimulare a capacitatii angiogenice, osteogenice si antibacteriene, atat pentru structurile BGS fabricate din materiale bioactive, cat si din cele piezoceramice, vor fi explorate si implementate, in vederea inducerii unei osteointegrari rapide si sigure. Nu in ultimul rand, proiectul va aborda un alt aspect deosebit de important: lipsa unor protocoale in vitro standard pentru insamantarea celulara uniforma a BGS poroase.
Vor fi generate elemente inovatoare si originale de importanta fundamentala si tehnologica: (a) ceramici bioactive cu degradare si eliberare de ioni terapeutici controlate, (b) cuplarea sinergica a ceramicilor piezoelectrice, cu rezistenta mecanica foarte buna, cu cele bioactive si (c) testarea in vitro a efectului piezoelectric asupra comportamentului celular in conditii de incarcare mecanica dinamica. Proiectul va conduce la crearea unei echipe independente de cercetare formate din tineri cu abilitati complementare, care va urmari sa: (i) atraga resurse umane in cercetare; (ii) creeze oportunitati de formare profesionala pentru tinerii cercetatori si (iii) genereze premisele formarii in viitor a unei comunitati stiintifice numeroase cu preocupari in domeniul materialelor cu potential de utilizare in medicina.

 

Obiectivul general al Proiectului: Deschiderea de Noi Perspective de Realizare a unei Noi Generatii de Substituenti Ososi Sintetici pe Baza de Ceramici Bioactive si Piezoelectrice

Obiective specifice:

O1: Sinteza sticlelor bioactive silicatice (SBG) fara oxizi alcalini, a fosfatilor de calciu (CaP) si a ceramicilor piezoelectrice prin metodele răcirii topiturii, co-precipitarii si, respectiv, reactiei in stare solida / sintezei hidrotermale. – Realizat [RST 1/2021].

O2: Alegerea celor mai promițătoare materiale ceramice bioactive și piezoelectrice pentru imprimarea 3D, pe baza evaluărilor multi-parametrice structurale, piezoelectrice, mecanice și biologice in vitro. – Realizat [RST 1/2021].

O3: Fabricarea de substituenti ososi sintetici, bioactivi și/sau piezoelectrici prin tehnologia robocasting, avand diferite geometrii de distributie a filamentelor si dimensiuni ale porilor. – Realizat [RST 1 & 2/2021-2022].

O4: Studii exploratorii de funcţionalizare a corpurilor 3D poroase pe bază de ceramică piezoelectrică cu straturi sacrificiale bioactive prin tehnici de depunere chimică și fizică. – Realizat [RST 2/2022].

O5: Examinarea multi-parametrica a caracteristicilor fizico-chimice, mecanice si biofunctionale a corpurilor poroase fabricate prin robocasting. – Realizat [RST 2/2022].

O6: Selectia celor mai bune modele de substituenti sintetici de os, capabile sa asigure un compromis functional intre porozitate, biofunctionalitate si performanta mecanica. – Realizat [RST 2/2022].

O7: Consolidarea echipei de cercetare constituite din tineri cercetatori cu abilitati complementare si interese active in domeniul solutiilor prospective de imprimare 3D si / sau regenerare osoasa si crearea unui program de cercetare independent. Diseminarea rezultatelor stiintifice relevante. – Realizat [RST 1 & 2/2021-2022].

  • Dr. George Stan, doctor in Ingineria Materialelor din 2011 - Director  de proiect (https://www.webofscience.com/wos/author/rid/B-5690-2011);
  • Dr. Adrian-Claudiu Popa, doctor in Medicina (Medicina celulara si moleculara) din 2015 - Membru al echipei de cercetare (https://www.webofscience.com/wos/author/rid/K-4606-2012);
  • Dr. Cristina Besleaga Stan, doctor in Fizica din 2013 - Membru al echipei de cercetare (https://www.webofscience.com/wos/author/rid/I-7862-2019);
  • Dr. Alexandru Evanghelidis, doctor in Fizica din 2018 - Membru al echipei de cercetare (https://www.webofscience.com/wos/author/rid/AAA-1954-2019);
  • Doctorand Andrei Tomulescu, chimist - Membru al echipei de cercetare (https://www.webofscience.com/wos/author/rid/B-8700-2019);
  • Doctorand Maria-Iuliana Chirica (Bogdan), chimist - Membru al echipei de cercetare (https://www.webofscience.com/wos/author/rid/AAA-2636-2019);
  • Dr. Luminita Amarande, doctor in Fizica din 2003 - Membru al echipei de cercetare (https://www.webofscience.com/wos/author/rid/B-7800-2011);
  • O pozitie vacanta ocupata de catre Dr. Liliana-Marinela Balescu, doctor in Fizica din 2016 (https://www.webofscience.com/wos/author/rid/E-7100-2014).

Proiectul ROBONEGRAFT (contract TE135/2020) a vizat și reușit cu succes (1) parcurgerea incrementală și integrală a etapelor de idee – la demonstrator de substitut osos sintetic, porning de stabilirea unor metode de preparare a unei palete largi de materiale (ceramici piezoelectrice biocompatibile, fosfați de calciu simpli, binari si ternari (pe bază de hidroxiapatită, β- și/sau α-fosfat tricalcic) dopați și sticle bioactive fosfatice și silicatice) și selecția celor mai promițătoare materiale bazată pe evaluări multi-parametrice (fizico-chimice complexe utilizând metode de investigație avansate, mecanice și biologice in vitro), la optimizarea de paste ceramice cu proprietăți pseudoplastice adecvate și realizarea și testarea cu succes a primilor demonstratori la nivel național de substitute osoase sintetice macro-poroase (din materiale bioactive sau piezoelectrice) prin tehnologia robocasting, alături de (2) crearea unei echipe dinamice de tineri cercetători cu expertiză inter-disciplinară complementară, capabile și doritoare să continue progresele științifice și tehnologice în acest domeniu, reprezintă, considerăm noi, cele mai semnificative rezultate ale proiectului TE135 (în deplină congruență și cu Pachetul de informații al competiției TE), dincolo de orice bornă de diseminare științifică atinsă. Astfel, proiectul TE135 a permis deschiderea la nivel național a unei noi tematici de cercetare și pregătirea de resurse umane capabile să obțină progrese științifice și tehnologice, relevante la nivel internațional.

 

Rezumatul Etapei I/2021:

Proiectul PN-III-P1-1.1-TE-2019-0463 (contract TE135/2020) urmărește să deschidă perspective de realizare a unei noi generații de substituenți osoși sintetici (scaffold-uri) pe bază de ceramici bioactive și piezoelectrice. Pornind de la acest obiectiv general, Etapa I a proiectului de cercetare PN-III-P1-1.1-TE-2019-0463 (2021.01.01 – 2021.12.31) a fost dedicată atât (1) preparării, caracterizării și selecției viitoarelor materiale sursă [e.g., sticle bioactive silicatice și fosfatice, dopate cu Zn, Sr, Cu și/sau Ga, sintetizate prin metoda răcirii din topitură; ceramici piezoelectrice (pe bază de: KNbO3; LiNbO3; LiTaO3; BaTiO3 simplu și dopat cu Zr; și soluții din sistemul binar Ba(Ti0.8Zr0.2)TiO3 – (Ba0.7Ca0.3)TiO3 fabricate prin tehnologia ceramică convențională de reacție în stare solidă; fosfați de calciu simpli, binari și ternari, dopați cu Mn, Sr, Mg și/sau Ga, preparați prin co-precipitare/sinteza hidrotermală sau derivați din resurse biologice și minerale] pentru corpurile printate și/sau straturile de supra-funcționalizare bioactive, cât și (2) primelor experimente de realizare prin imprimare 3D, utilizând tehnologia robocasting (direct ink writing; extrudare de paste ceramice cu încărcare solidă mare, asistată de un sistem automatizat robotizat cu trei grade de libertate) – în principal și prin înglobarea de agenți porigeni (fibre vegetale, prin a căror combustie termică se pot genera micro- și macro-pori și inter-canalicule) – în secundar, de substitute osoase sintetice macro-poroase din materiale ceramice selectate în urma evaluărilor multi-parametrice fizico-chimice și biologice in vitro. O parte dintre rezultatele acestie prime etape a proiectului au fost diseminate printr-o comunicare științifică la o conferință internațională și 4 articole publicat în jurnale indexate Web of Science®.

Rezultatele livrate:

  • 1 studiu studiu ştiinţific privind metodele de sinteza de pulberi sursă din materiale pe bază de oxizi (ceramici și sticle bioactive, ceramici piezoelectrice) pentru realizarea de substitute osoase sintetice prin tehnologia robocasting;
  • 1 comunicare științifică susținută la conferința internațională E-MRS 2021 Fall Meeting;
  • 4 articole publicate în jurnale indexate în Web of Science®,  doua situate în cuartila Q2 și doua în cuartila Q1.

Raportul științific nu va fi prezentat pe situl web a proiectului, rezultatele fiind încă curs de publicare.

2021: RAPORTUL STIINTIFIC SINTETIC nr. 1 in format *.pdf este disponibil şi poate fi accesat la cerere la UEFISCDI.

 

Rezumatul Etapei a II-a/2022:

Etapa a II a proiectului a fost dedicata fabricarii prin tehnologia robocasting de scaffold-uri poroase, pe bază de materialor bioactive (i.e., fosfat de calciu bifazic dopat Sr și Sr/Mg) si piezoelectrice (BCTZ50), selectate in urma evaluarilor multi-parametrice (fizico-chimice, mecanice si biologice in vitro), avand diferite forme si geometrii de distributie a filamentelor. In acest sens, atentie deosebita a fost alocata atat prepararii de paste ceramice cu proprietati psedoplastice adecvate si definirii de protocoale de lucru pentru colonizarea celulara uniforma a scaffold-urilor macroporoase, cat si realizarii de studii exploratorii de bio-functionalizare a constructelor fabricate prin robocasting si selectiei de modele arhitecturale de substitute osoase sintetice urmate de caracterizari comparative multi-parametrice de sondare a potentialului lor functional. O parte din rezultatele acestei a II-a etape a proiectului au fost deja diseminate prin trei comunicari stiintifice la evenimente cu participare internationala, trei articole publicate la jurnale indexate Web of Science® (alte doua sunt in prezent trimise la evaluare, si inca doua se afla in lucru) si o cerere de brevet OSIM.

Rezultatele livrate:

  • 2 rețete de paste ceramice pentru imprimarea prin tehnologia robocasting din materiale bioactive și ceramici piezoelectrice;
  • 2 metode de funcționalizare a suprafeței scaffold-urilor 3D bazate pe tehnologia pulverizarii magnetron și respectiv pe cea a acoperirii prin imersare;
  • seturi de scaffold-uri macro-poroase bazate pe materiale bioactive și piezoelectrice cu diferite forme si geometrii de distributie a filamentelor;;
  • 3 articole publicate în jurnale indexate în Web of Science®, unul situat în cuartila Q2 și două în cuartila Q1;
  • 2 articole trimise la evaluare în jurnale indexate în Web of Science®, situate în cuartila Q1;
  • 3 comunicari stiintifice sustinute la conferințe/workshop-uri internationale;;
  • 1 cerere de brevet OSIM.

Raportul științific nu va fi prezentat pe situl web a proiectului, rezultatele fiind încă curs de publicare sau patentare.

2022: RAPORTUL STIINTIFIC FINAL in format *.pdf este disponibil şi poate fi accesat la cerere la UEFISCDI.

  • 2021: Ioana Cristina Tudor, studentă, anul 2 de studiu, la Facultatea de Inginerie Medicală, Universitatea Politehnică Bucureşti, a realizat 360 de ore de practică în domeniul sintezei şi caracterizării fizico-chimice şi biologice in vitro de materiale ceramice sub formă de volume compacte şi straturi subtiri, sub coordonarea CS I Dr. George Stan (Directorul de proiect al TE135/2021).

Articole publicate in jurnale cotate Web of Science®:

  • 01. A.C. Mocanu, F. Miculescu*, G.E. Stan^, R.C. Ciocoiu, M.C. Corobea, M. Miculescu, L.T. Ciocan, Preliminary studies on graphene-reinforced 3D products obtained by the one-stage sacrificial template method for bone reconstruction applications; J FUNCT BIOMATER 12 (2021) 13. https://doi.org/10.3390/jfb12010013.
  • 02. A.C. Mocanu, F. Miculescu*, G.E. Stan^, A.M. Pandele, M.A. Pop^, R.C. Ciocoiu, S.I. Voicu, L.T. Ciocan, Fiber-templated 3D calcium-phosphate scaffolds for biomedical applications: The role of the thermal treatment ambient on physico-chemical properties; MATERIALS 14 (2021) 2198. https://doi.org/10.3390/ma14092198.
  • 03. I.M. Chirica^, A.M. Enciu, T. Tite*, M. Dudau, L. Albulescu, S.I. Iconaru, D. Predoi, I. Pasuk, M. Enculescu, C. Radu, C. Mihalcea, A.C. Popa^, N. Rusu, S. Nita, C. Tanase*, G.E. Stan*,^,  The physico-chemical properties and exploratory real-time cell analysis of hydroxyapatite nanopowders substituted with Ce, Mg, Sr and Zn (0.5–5 at.%); MATERIALS 14 (2021) 3808. https://doi.org/10.3390/ma14143808.
  • 04. A. Gaddam*, A.A. Allu, S. Ganisetti, H.R. Fernandes, G.E. Stan^, C.C. Negrila, A.P. Jamale, F. Mear, L. Montagne, J.M.F. Ferreira; Effect of vanadium oxide on the structure and Li-Ion conductivity of lithium silicate glasses; J PHYS CHEM C 125 (2021) 16843. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c05059
  • 05. B.W. Stuart*, G.E. Stan^, A.C. Popa^, M.J. Carrington, I. Zgura, M. Necsulescu, D.M. Grant*, New solutions for combatting implant bacterial infection based on silver nano-dispersed and gallium incorporated phosphate bioactive glass sputtered films: A preliminary study; BIOACTIVE MATER 8 (2022) 325. https://doi.org/10.1016/j.bioactmat.2021.05.055.
  • 06. T. Tite, A.C. Popa^, B.W. Stuart, H.R. Fernandes, I.M. Chirica^, G.A. Lungu, D. Macovei, C. Bartha, L. Albulescu, C. Tanase, S. Nita, N. Rusu, D.M. Grant, J.M.F. Ferreira, G.E. Stan*,^, Independent and complementary bio-functional effects of CuO and Ga2O3 incorporated as therapeutic agents in silica- and phosphate-based bioactive glasses; J MATERIOMICS 8 (2022) 893. https://doi.org/10.1016/j.jmat.2021.12.009.
  • 07. C. Besleaga^, B. Nan , A.C. Popa^, L.M. Balescu^, L. Nedelcu, A.S. Neto, I. Pasuk, L. Leonat, G. Popescu-Pelin, J.M.F. Ferreira, G.E. Stan*,^, Sr and Mg doped bi-phasic calcium phosphate macroporous bone graft substitutes fabricated by robocasting: A structural and cytocompatibility assessment; J FUNCT BIOMATER 13 (2022) 123. https://doi.org/10.3390/jfb13030123.
  • 08. L. Nedelcu, J.M.F. Ferreira, A.C. Popa^, L. Amarande^, B. Nan, L.M. Balescu^, C.D. Geambasu, M. Cioangher, L. Leonat, M. Grigoroscuta, D. Cristea, H. Stroescu, R.C. Ciocoiu, G.E. Stan^,*, Multi-parametric exploration of a selection of piezoceramic materials for cortical bone graft substitutes application;  MATERIALS 16  (2023) 901. https://doi.org/10.3390/ma16030901.

Cerere de brevet OSIM:

  • 01. A.R. Iuga, A.C. Popa, V. Kuncser, N. Iacob, Dispozitiv cu magneți permanenți destinat micșorării vitezei de sedimentare a unor particule aflate într-un mediu vâscos; Cerere de brevet OSIM nr. A/00716/11.11.2022.

Conferinte si manifestari stiintifice internationale:

  • 01. T. Tite, A.C. Popa^, I.M. Chirica^, B.W. Stuart, A.C. Galca, L.M. Balescu, G. Popescu-Pelin, D.M. Grant, J.M.F. Ferreira, G.E. Stan^, Tuning the cross-area uniformity, structure and biological response of sputtered phosphate bioglass films by the gas pressure; E-MRS 2021 Fall Meeting, Simpozionul J: „Materials and technological solutions preventing biofilms and antimicrobial resistance”, 20–23 septembrie 2021 (prezentare poster).
  • 02. L.M. Balescu^, C. Besleaga^, B. Nan, A.C. Popa^, L. Nedelcu, A.S. Neto, I. Pasuk, L. Leonat, G. Popescu-Pelin, J.M.F. Ferreira, G.E. Stan^, Strontium and/or Magnesium substituted biphasic calcium phosphate-based scaffolds for bone graft applications; IBWAP 2022 – Sectiunea 4: Cross-disciplinary application of physics, 12–15 iulie 2022 (prezentare poster).
  • 03. L. Amarande^, L. Nedelcu, M. Cioangher, L. Leonat, M. Grigoroscuta, L.M. Balescu^, C. Besleaga^, C. Ciobotaru, A.C. Popa^, G.E. Stan^, H. Stroescu, B. Nan, J.M.F. Ferreira, Synthesis and characterization of piezoceramic materials for robocasting printing of 3D porous scaffolds; IBWAP 2022 – Sectiunea 4: Cross-disciplinary application of physics, 12–15 iulie 2022 (prezentare poster) – premiul al II-lea.
  • 04. G.E. Stan^, T. Tite, A.C. Popa^, B.W. Stuart, H.R. Fernandes, M.I. Chirica^, G.A. Lungu, D. Macovei, L. Albulescu, C. Tanase, S. Nita, N. Rusu, D.M. Grant, J.M.F. Ferreira, Single and coupled bio-functional effects of CuO and Ga2O3 incorporated as therapeutic agents in silica- and phosphate-based bioactive glasses; IBWAP 2022 – Sectiunea 4: Cross-disciplinary application of physics, 12–15 iulie 2022 (prezentare orala).

*autor corespondent

^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

Back to top

Copyright © 2024 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved