Biomedicinske zlitine s spominskim efektom

Projekt obravnava razvoj in izdelavo novih biomedicinskih zlitin z oblikovnim spominom (BIO-SMA), ki bodo imele izboljšane lastnosti kot obstojnost pred korozijo, biokompatibilnost, dinamična trdnost, zavojna trdnost z dvema edinstvenima toplotno-mehanskima značilnostma: spominski in pseudoelastični efekt. Te nove BIO-SMA zlitine (Ni-Ti oziroma Cu-Al-Ni) bodo izdelane z dvema tehnikama – kontinuirno litje in litje na vrtečem se valju. Prva izdelovalna tehnika predstavlja običajen postopek, medtem, ko litje na vrteči se valj omogoča izboljšanje nekaterih materialnih karakteristik (mikrostruktura, funkcionalne lastnosti, biokompatibilnost) v primerjavi s prvo tehniko. Še več, v okviru projekta bodo BIO-SMA izdelki (ulitki, hitro strjeni trakovi) prvič obdelani s tehniko vakuumske cementacije, ki izboljšuje njihovo obrabno obstojnost. Vakuumska cementacija vključuje cikle aktivnih (prenasičenje) in pasivnih (difuzija) korakov. Želena debelina nastale cementacijske plasti in zahtevan ciljan koncentracijski profil ogljika bosta nadzorovana s kontrolo trajanja obeh korakov. V okviru projekta bo narejena tudi numerična analiza obeh izdelavnih tehnologij, to je kontinuirnega litja in litja na vrteči se valj in to z metodo končnih prostornin upoštevajoč osnovne enačbe, kot so ohranitev mase, gibalne količine, energije in drugih konstitutivnih modelov. Rezultati numerične analize bodo tako doprinesli k podrobnejšemu razumevanju nelinearne dinamike procesov in s tem nudili optimalno kontrolo obeh proizvodnih tehnologij, ki bosta uporabljeni v pričujočem projektu. Študije biokompatibilnosti bodo vključevale v prvi stopnji teste na standardnih kulturah določenih z ISO standardi za medicinske in dentalne pripomočke (citotoksičnost, implant test, iritacija in senzibilizacija). V nadaljevanju bodo izvedeni imunološki in vitro testi , s katerimi bomo napovedali imunski odziv BIO-SMA zlitin v in vivo okolju. Ti testi bodo vključevali profileracijo limfocitnih kultur, produkcijo pro- in anti- inflamatornih citokinov z makrofagi ter ostalih dendritnih celic, ki bo vrednotena tudi polarizacija imunskega odziva na ustreznih kulturah. Kot direktne rezultate eksperimentalnega dela pričakujemo boljše razumevanje vpliva kemijske sestave in čistoče zlitin, izdelovalne tehnologije, parametrov termo-mehanske obdelave na nastalo mikrostrukturo, mehanske in fizikalne lastnosti, biokompatibilnost v in vitro in in vivo, geometrijo, funkcionalnost BIO-SMA materialov. Samo visoko biokompatibilni materiali namreč lahko zadostijo kriterijem za uporabo kot implantati za različne namene. V tem kontekstu predstavlja prav modifikacija površine BIO-SMA zlitin, predvsem tistih na osnovi Ni-Ti, temo, ki je bila obsežno raziskovana v zadnjem obdobju in to z namenom izboljšave njihove biokompatibilnosti. Namen raziskovalnega projekta bo tako tudi identificirati najnovejše raziskovalne metode in dosežke s tega področja in podati perspektivo bio-medicinskih materialov z oblikovnim spominom v prihodnosti (od znanosti do aplikacije). Končni cilj projekta bo razvoj optimalne tehnologije izdelave (v podjetjih Magneti in Zlatarna Celje) in prenos know-how-a na industrijsko nivo. Partnerji pričujočega projekta, združeni na nacionalnem kot tudi mednarodnem nivoju, zagotavljajo integriran in predan konzorcij, ki nudi najboljšo kombinacijo znanstvenih in tehnoloških znanj za izvedbo projekta kot tudi zmogljivost malih in srednjih podjetij za kasnejšo izrabo rezultatov projekta.

Pričakovani rezultat predlaganega raziskovalnega dela je laboratorijsko osvojena proizvodnja biokompatibilnih spominskih zlitin v obliki palic ali trakov s popolnoma novima postopkoma izdelave: kontinuirno litje in litje taline na vrteči se boben ob upoštevanju usmeritev, ki predstavljajo za okolje sprejemljive tehnologije. Načrtovan projekt daje realne možnosti za doseganje izvirnih rezultatov, saj kombinacija interdisciplinarnih znanj na področju tehnologij: kontinuirno litja/karakterizacija/numerične metode/testiranje biokompatibilnosti ni poznana. Vsi ti faktorji dajejo projektu visok industrijski in znanstveni potencial. Vodja projekta in sodelavci so na osnovi opravljenih raziskav v okviru projekta L2-5486 objavili številne vrhunske znanstvene članke s področja proizvodnih tehnologij (izdelovalna tehnologija), karakterizacije in biomaterialov, s čimer se je dvignila njihova prepoznavnost ne samo v Sloveniji, ampak tudi v tujini ter citiranost. Vodja projekta je bila mentorica 3 doktorandom iz raziskovalne problematike projekta, kar je nedvomno mogoče šteti za izjemen znanstveno/relevanten dosežek, ki je neposredno povezan z vsebino predlaganega projekta. Kot direktne znanstvene rezultate eksperimentalnega dela, ki vplivajo na dvig nivoja razumevanja materialov v povezavi proizvodnja-lastnosti-uporaba pomeni boljše razumevanje vpliva kemijske sestave in čistoče zlitin, izdelovalne tehnologije, novih postopkov dodelav, parametrov termo-mehanske obdelave na nastalo mikrostrukturo, mehanske in fizikalne lastnosti, korozijsko obstojnost, biokompatibilnost v in vitro in in vivo, geometrijo, funkcionalnost materialov. Samo takšno razumevanje lahko opredeljuje kaj so visoko biokompatibilni materiali, ki morajo zadostiti visokim kriterijem za uporabo v biomedicini. V tem kontekstu predstavlja prav modifikacija površine BIO-SMA zlitin, predvsem tistih na osnovi Ni-Ti, temo, ki je bila obsežno raziskovana v zadnjem obdobju in to z namenom izboljšave njihove biokompatibilnosti. Izvedene metode dela v okviru projekta so predstavljale raziskovanje in upravljanje z znanjem, ki je bilo usmerjeno v izgradnjo baze različnih znanj. V prvi vrsti gre predvsem za znanja, ki se nanašajo na poznavanje tehnologije izdelave biomaterialov in z njimi povezanimi tehnološkimi parametri glede na specifične zahteve in vplive na okolje. Rezultati projektnega dela in znanstveni dosežki ponujajo tako sedaj realne možnosti za nove izvirne rezultate, saj specialna znanja s področja izdelavnih tehnologij in raziskav biokompatibilnosti materialov, niso poznana. Po drugi strani gre za izredno zanimivo in hitro se razvijajoče področje, ki mnoga podjetja širom po svetu sili v prestrukturiranje in dodatno izobraževanje razvojnih kadrov. Inteligentni svetovalni sistemi, ki bodo sposobni nuditi podporo v smislu kvalificiranih nasvetov in predlogov ter rešitev pri sprejemanju ključnih odločitev v procesu razvoja novih biomaterialov, imajo zato velik potencial in visoko stopnjo relevantnosti. To pa pomeni za preboj znanosti na tem področju velik izziv. Del tega preboja smo uspeli realizirati tudi v tem projektu. Ena od novosti razvitih v zaključni fazi projekta se nanaša na testiranje biokompatibilnosti in imunomodulatornih lastnosti BIO-SMA zlitin proizvedenih z novimi tehnologijami. Ti testi so vključevali profileracijo limfocitnih kultur, produkcijo pro- in anti- inflamatornih citokinov z makrofagi ter ostalih dendritnih celic, kjer so vrednotena tudi polarizacija imunskega odziva na ustreznih kulturah. Te temeljne ugotovitve so pojasnile ne le zakaj nekatere terapije niso uspešne, ampak kako jih je mogoče izboljšati.

V okviru projekta smo identificirali najnovejše raziskovalne metode in dosežke s področij izdelovalnih tehnologij biomaterialov z oblikovnim spominom in njihove karakterizacije ter podali perspektivo njihove uporabe v prihodnosti. S tem smo začeli s prenosom znanja na industrijski nivo, kar je bistveno za pomen slovenskega gospodarstva in preboj produktov t.i. biomaterialov z visoko dodano vrednostjo na globalni trg. Industrijska partnerja Zlatarna Celje in Magneti Ljubljana sta v okviru projekta okrepila svojo »inovacijsko zmožnost«, kar je izredno pomembno za prepoznavnost slovenskih malih in srednje velikih podjetij (SME). Njuna strategija sedaj bazira na razvoju novih tehnologij in produktov. Rezultati odličnega sodelovanja se tako kažejo v dveh dejstvih: 1.) Magneti Ljubljana d.d. so bili v letu 2016 izbrani kot eno najuspešnejših podjetij (Nagrada GZS), kar je tudi rezultat tega projekta. 2.) V Zlatarni Celje pa se je na osnovi dobljenih rezultatov povečala realizacija in čisti dobiček po obdavčitvi. S 1.1.2017 se je pri njih zaposlil dr. Peter Majeriča - s tem je bil ustvarjen prehod mladega doktorja znanosti v podjetje. Partnerji projekta L2-5486, združeni na nacionalnem kot tudi mednarodnem nivoju, so zagotavljali integriran in predan konzorcij, ki je nudil najboljšo kombinacijo znanstvenih in tehnoloških znanj za izvedbo projekta kot tudi zmogljivost za izrabo rezultatov projekta v industriji. Predlagani projekt je povezal raziskovalce v državah Evrope (Slovenija, Nemčija, Avstrija) in na Balkanu (Srbija, Hrvaška). Tudi na ta način se je povečala prepoznavnost slovenske raziskovalne sfere. Poseben pomen lahko pripišemo delu numeričnih simulacij pri kontinuirnem litju z vključenim strjevanjem NiTi zlitine, kjer je sedaj možno analizirati prenos toplote v posameznih območjih kokile, določiti hitrostno polje tekočin ter napovedati strjevanje zlitine. Posledično zaključujemo, da razvite metode v okviru tega projekta predstavljajo zelo učinkovito na novo razvito orodje, ki nudi hitrejše in učinkovitejše načrtovanje procesov in naprav, kar vodi k izboljšanim inženirskim procesom in izdelkom v slovenskem industrijskem okolju.