J2-60051 – Uporaba laserja za izboljšanje biokompatibilnosti površine kovinskih materialov za nove biomedicinske aplikacije (SurfBioApps)

• Obdobje trajanja: 01.01.2025 – 31.12.2027
• Vrednost projekta: 300.000,00 EUR
• Vodja projekta: dr. Matej Hočevar
• Vodilni partner: Inštitut za kovinske materiale in tehnologije (IMT)
• Sodelujoči partnerji: Fakulteta za strojništvo (Univerza v Ljubljani) in Biotehniška fakulteta (Univerza v Ljubljani)

POVZETEK PROJEKTA

Glavna ideja predlaganega projekta SurfBioApps je razvoj biomaterialov z laserskim teksturiranjem površine, skupaj z oblikovanjem protokola za pripravo vzorcev in metod za preučevanje specifične interakcije med materiali in celicami. Projekt temelji na interdisciplinarnem pristopu, ki združuje raziskovalce z Inštituta za kovine materiale in tehnologije (IMT), Fakultete za strojništvo Univerze v Ljubljani (FS-UL) ter Biotehniške fakultete Univerze v Ljubljani (BF-UL) z namenom izboljšati razumevanje interakcije med lasersko strukturiranimi površinami in biološkimi sistemi, s poudarkom na protokolih in metodah za ocenjevanje biokompatibilnosti.

SurfBioApps temelji na znanstvenem izhodišču, da je z laserjem mogoče kontrolirano preoblikovati površino na mikro in nano nivoju ter s tem pomembno spremeniti njene lastnosti in funkcionalnost. Lasersko teksturiranje površin predstavlja odlično alternativo ostalim obstoječim tehnologijam, saj je izredno prilagodljiva in enostavna metoda, ki omogoča natančen nadzor nad modificirano površino (topografija, hrapavost, kemija in omočljivost površine), omogoča obdelavo različnih površin ter vpliva le na lastnosti površine materiala.

Glavni cilj projekta SurBiofApps je izboljšati razumevanje vpliva laserja na lastnosti in spremenjeno funkcionalnost površine, s poudarkom na razvoju pametnih površin biokompatibilnih materialov. Poskušali bomo razjasniti, kako spremenjene lastnosti vplivajo na biokompatibilnost, da bomo lahko predlagali naslednjo generacijo visoko zmogljivih kovinskih biomaterialov in standarde za ocenjevanje biokompatibilnosti.

CILJI PROJEKTA IN METODOLOGIJA DELA

Za doseganje glavnega cilja je projekt razdeljen na tri osnovne cilje:

C1 – Izboljšanje lastnosti in funkcionalnosti biomaterialov z laserskim teksturiranjem

C2 – Izboljšano razumevanje interakcije med celicami in lasersko obdelano površino

C3 – Predlog standarda za ocenjevanje biokompatibilnosti

C1 – Osredotočili se bomo na običajne kovinske zlitine (nerjaveče jeklo, titan in FeMn), ki se zaradi svojih lastnosti že uporabljajo v biomedicinskih aplikacijah, vendar pogosto kažejo pomanjkanje specifičnih biofunkcionalnosti in ponujajo omejene možnosti interakcijo z biološkimi celicami. Poudarek bo na lasersko modificiranih lastnostih površine, ki vplivajo na biokompatibilnost materiala. Za doseganje tega cilja bomo uporabili in nadgradili znanje o funkcionalizaciji površine z laserjem, pridobljeno v že zaključenih ARIS projektih: Razvoj biomaterialov z laserskim teksturiranjem kovinskih zlitin (BiomatLasTex, Z2-9215) in Lasersko mikro in nanostrukturiranje za razvoj biomimetičnih kovinskih površin z edinstvenimi lastnostmi (LaMiNaS, J2-1741). Razviti laserski sistem omogoča modifikacijo površine kovin v različnih plinih in tekočinah, kar zagotavlja razvoj posebnih lastnosti površine, ki bodo izboljšale interakcijo med celicami in površino materiala. Lasersko teksturiranje v različnih plinih bo omogočilo nastanek površin s specifično kemijsko sestavo (specifični oksidi, nitridi in naogličenje površine), kar bo močno vplivalo na omočljivost, korozijo in biokompatibilnost. Za doseganje tega cilja bo po laserski modifikaciji površine izvedena obsežna karakterizacija (korozijske lastnosti, omočljivost, kemija površine in topografija). Ta cilj nam bo omogočil izdelavo lasersko teksturiranih kovinskih površin z izboljšanimi biokompatibilnimi lasnostmi.

C2 – Glavni poudarek bo na raziskavi bioloških odzivov na lasersko teksturirane kovinske površine. Razvite materiale s specifičnimi lastnostmi (C1) bomo uporabili za preučevanje interakcije med celicami in površino. Za doseganje cilja bomo modificirane površine natančno preučili z uporabo različnih metod za vrednotenje biokompatibilnosti (adhezija celic, toksičnost materiala in viabilnost celic na površini). Poskusi bodo omogočili vpogled v lastnosti lasersko spremenjenih površin in njihov vpliv na adhezijo celic, morfologijo celic, celično proliferacijo, diferenciacijo celic, regeneracijo celic, migracijo celic in citotoksičnost. Cilj je nadzirati lastnosti biomateriala, predvsem biokompatibilnost. Raziskali bomo tudi korozijske procese biomaterialov v prisotnosti biološkega materiala. Anorganski ioni, aminokisline, beljakovine, organske kisline in celice, ki sestavljajo telesne tekočine, lahko močno vplivajo na korozijsko obnašanje materiala. Rezultati tega cilja bodo prispevali k izboljšanju postopka laserskega teksturiranja novih naprednih biokompatibilnih materialov ter k optimizaciji obstoječih biomaterialov.

C3 – Modifikacija in funkcionalizacija površine z uporabo laserja predstavlja zelo obetaven pristop na področju biomaterialov. Kljub temu glavno pomanjkljivost predstavlja predvsem pomankanje protokolov in metod za standardno preverjanje biokompatibilnosti teh površin. Namen tega cilja je uporabiti pridobljeno znanje iz C1 in C2 za kritični razvoj najnovejših metod biokompatibilnosti ter izdelati novo strategijo testiranja, ki bo splošno sprejeta. Metode bodo mednarodno ovrednotene, o njih pa bodo razpravljali partnerji v projektu COST FIT4NANO (https://fit4nano.eu/), pri čemer sta oba partnerja (IMT in BF-UL) aktivna in odgovorna za uporabo FIB metode v biomedicini. Poseben poudarek bo namenjen nadzorovani pripravi in obdelavi testnih površin za kasnejše vrednotenje biokompatibilnosti ter izboru najprimernejših metod za preučevanje interakcije med celicami in površino, kjer bomo upoštevali predvideno funkcijo biomateriala (biokompatibilnost, selektivna biokompatibilnost, viabilnost ter citotoksičnost) in čas interakcije. V okviru projekta želimo razviti standardni postopek za evaluacijo biokompatibilnosti površin s pomočjo SEM/SEM-FIB tehnike v kombinaciji s preizkusi celične aktivnosti in celične toksičnosti. Standard bomo predložili Mednarodni organizaciji za standardizacijo (ISO/TC 229 nanotehnologije: https://www.iso.org/committee/381983.html). Raziskava biokompatibilnosti ni pomembna samo z vidika uporabe, ampak je enako pomembna tudi z vidika ocene življenjskega cikla biomateriala in usode materiala po končani uporabi. Zato standardizirani postopki za oceno biokompatibilnosti podpirajo Evropski zeleni dogovor (https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_sl) in prispevajo k evropskim ciljem trajnostnega razvoja (https://ec.europa.eu/info/strategy/international-strategies/sustainable-development-goals/eu-holistic-approach-sustainable-development_sl).

IMT bo vodilni partner in koordinator projekta z vso opremo za razvoj in napredno karakterizacijo materialov ter karakterizacijo interakcije med celicami in površino materiala. Raziskovalci s Fakultete za strojništvo bodo odgovorni za lasersko modifikacijo površine, partner iz Biotehniške fakultete pa za oceno biokompatibilnosti. Projektna skupina je sestavljena iz uveljavljenih raziskovalcev/profesorjev, ki so priznani strokovnjaki na področju laserske obdelave, biologije, toksikologije in materialov. Multidisciplinarni pristop in znanstveno sodelovanje bosta pomembno prispevala k uspešni izvedbi predlaganega projekta. Prav tako bomo tekom projekta skušali identificirati kritična tveganja za izvedbo in predlagali ukrepe za njihovo zmanjšanje.

POMEN PRIČAKOVANIH REZULTATOV RAZISKOVALNEGA PROJEKTA

Predlagani projekt ima velik znanstveni potencial, saj tehnika modifikacije površin z laserjem predstavlja izjemno prilagodljivo, ponovljivo in čisto tehnologijo za spreminjanje površin ter je edina tehnika, ki lahko v enem samem koraku zagotovi nadzorovano spreminjanje površine kovinskih materialov na več nivojih (spremembe topografije, kemije in omočljivosti). Relevantnost in potencialni vpliv pričakovanih rezultatov SurfBioApps projekta sta velika, saj biomateriali v okviru Evropske unije za raziskave in inovacije 2021–2027 (Horizon Europe) sodijo med pomembnejše izzive na področju zdravja in predstavljajo središče evropskih raziskovalnih prizadevanj. Pomembnost nanotehnologije v medicini je prepoznala tudi Evropska tehnološka platforma za nanomedicino (ETPN), ki je objavila številne strateške dokumente in načrte, s poudarkom na pametnih biomaterialih ter pametnih nanostrukturiranih in funkcionalnih površinah. Lansiranje EU platforme EuMaT – European Technology Platform for Advanced Engineering Materials and Technologies) še dodatno potrjuje izjemni potencial projekta.

Vrednost svetovnega trga biomaterialov se giblje okoli 100 milijard EUR. Po različnih ocenah in napovedih naj bi svetovni trg biomaterialov leta 2024 dosegel 200 milijard EUR, kar še dodatno potrjuje pomembnost in raziskovalni potencial.

Na nacionalni ravni so pametni materiali za uporabo v biomedicini eden izmed strateških raziskovalnih prioritet v Strateško razvojno-inovacijskem partnerstvu (SRIP) v zdravstvo-medicina. To partnerstvo predstavlja mrežo ključnih slovenskih interesnih skupin in ga vodi Slovensko središče za inovacije (https://www.sis-egiz.eu/dejavnosti/srip/). Partner v projektu SurfBioApps (Damjana Drobne, BF-UL) vodi eno od raziskovalnih področij znotraj SRIP-a Zdravje-Medicina, ki vključuje nove in napredne materiale za biomedicinsko uporabo. Damjana Drobne je tudi članica svetovalnega sveta (SIH EEIG) in bo zadolžena za izkoriščanje rezultatov ter sodelovanje z industrijo, ki se zanima za uporabo novih materialov.