Inženiring inovativnih in pametnih hibridnih materialov prihodnosti z združevanjem lasersko funkcionaliziranih kovinskih površin in živih celic (LaserInSMArT)

Razvoj novih biomaterialov je velikega pomena za paciente in ima pomemben vpliv na evropsko zdravstvo. Trenutno se področje biomedicine poslužuje predvsem uporabe pametnih biomaterialov, ki temeljijo na tradicionalnih skupinah polimerov, kovin, keramik in njihovih kompozitov. Pri tem glavno omejitev predstavljata pomanjkanje biospecifičnosti (npr. biozaznavanja) in krajša življenjska doba, ki je še posebej pomembna za medicinske vsadke. Za razvoj novih biomimetičnih in bioodzivnih materialov in s tem za zapolnitev tovrstne vrzeli je na tem področju potrebno izboljšati razumevanje interakcije med tkivom/celicami in biomaterialom. LaserInSMArT bo pojasnil, kako površinska kemija in topografija vplivata na interakcijo med površino in biološkimi celicami. To bomo dosegli z razvojem pametnih, posebej prilagojenih hibridnih materialov, ki bodo sestavljeni iz kombinacije funkcionaliziranih kovinskih površin in živih celic. Izdelali bomo hibridne materiale s ciljem kombiniranja osnovnega materiala (kovine) – z želenimi mehanskimi lastnostmi – z avtonomnimi, prilagodljivimi in samoobnovitvenimi lastnostmi živih organizmov. Tako razviti materiali bodo sposobni zaznavati zunanje signale in se nanje odzvati, omogočali bodo tvorbo površinskih vzorcev na različnih velikostnih skalah in urejanje anorganskih spojin za ustvarjanje biotsko-abiotičnih kompozitov. Navdih zanje bomo črpali iz naravnih bioloških sistemov, kot so biofilmi, skeletna tkiva in lupine, ki so prvovrstni primeri kombinacij neživih in živih komponent. LaserInSMArT bo temeljil na laserskem inženiringu materialov, ki smo ga razvili v prejšnjih raziskovalnih projektih (Z2-9215; J2-7196; J2-1741; in J2-1729). Z uporabo fleksibilne, razširljive in kemijsko neoporečne laserske dodajne izdelovalne tehnologije bomo iz osnovnih kovin izdelali tridimenzionalne (3D) oblike vzorcev z ustrezno porozno strukturo. Takšne kovinske zlitine (i) bodo nestrupene; (ii) enostavno jih bo reciklirati, kar bo zagotavljalo trajnost; in (iii) izkazovale bodo ustrezne mehanske lastnosti. Začeli bomo z običajnimi kovinami/kovinskimi zlitinami (nerjavno jeklo, Ti, FeMn in Mg), ki se trenutno pogosto uporabljajo v biomedicinskih aplikacijah zaradi svojih dobrih lastnosti, kot so visoka trdnost, dobra odpornost na lom, električna prevodnost in možnost preoblikovanja. Vendar pa tovrstni materiali ponujajo le omejene možnosti interakcije z biološkimi celicami – funkcionalnost, ki je pomembna pri razvoju hibridnih materialov. Različne celične funkcije, kot so adhezija, proliferacija in diferenciacija, so zelo odvisne od površinske interakcije na stiku med celico in biomaterialom. Zato bomo površine 3D vzorcev po izdelavi dodatno funkcionalizirali z uporabo laserskga teksturiranja, ki se je izkazalo kot ena najbolj obetavnih metod na tem področju. Rezultati raziskav interakcije funkcionaliziranih površin s celicami nam bodo omogočili, da na funkcionaliziranih kovinskih površinah ustvarimo različne vzorce bioloških celic (npr. osteoblastov, matičnih in endotelijskih celic). Poleg tega bomo lahko preučili, kako se takšni vzorci razraščajo v laboratorijskem okolju. Projektni rezultati bodo vodili v izdelavo pametnih hibridnih materialov, ki bodo izboljšali biokompatibilnost medicinskih vsadkov in bodo zmogli posnemati naravne sisteme. Razviti pristopi za izdelavo pametnih hibridov bodo odprli tudi nove možnosti za raziskovanje interakcij med površinami in živimi mikroorganizmi, svetlobo, drugimi elektromagnetnimi polji, molekulami in atomi.