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: In desfasurare

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:

O1Sinteza 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.

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.

O5: Examinarea multi-parametrica a caracteristicilor fizico-chimice, mecanice si bio-functionale (degradabilitate, eliberare de ioni, bioactivitate, colonizare celulara uniforma, citocompatibilitate, capacitate de angiogeneza si osteogeneza) a corpurilor poroase fabricate prin tehnologia robocasting. Optimizare.

O6: Selectia celor mai bune modele de substituenti sintetici de os cortical si trabecular, capabile sa asigure un compromis functional intre porozitate, biofunctionalitate si performanta mecanica.

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. – Partial realizat [RST 1/2021].

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 cinci articole publicate/acceptate în/la 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 (tip poster) susținută la conferința internațională E-MRS 2021 Fall Meeting;
  • 1 articol publicat într-un jurnal indexat în Web Science®, fără factor de impact;
  • 4 articole publicate în jurnale indexate în Web of Science®, cu factor de impact, unul situat în cuartila Q2 și trei 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.

  • 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 sau acceptate 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.

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, organizare online (prezentare poster).

*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 © 2022 National Institute of Materials Physics. All Rights Reserved