Projekti / Programi
Modifikacije površine kovinskih biomaterialov in njihove interakcije z bio-okoljem
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 1.04.01 |
Naravoslovje |
Kemija |
Fizikalna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| P401 |
Naravoslovno-matematične vede |
Elektrokemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.04 |
Naravoslovne vede |
Kemija |
kovinski biomateriali, simulirano fiziološko okolje, biološko okolje,
Raziskovalci (19)
Organizacije (3)
Povzetek
Dolgoročno delovanje ortopedskih kovinskih vsadkov je omejeno predvsem s procesom aseptičnega omajanja, ogroža ga lahko tudi septičen proces. Vsekakor pa je za stabilnost vsadka odgovorna tanka vmesna plast, ki se tvori med vsadkom in biološkim okoljem. V tvorbo te plasti je vključena cela vrsta kemijskih, bioloških, biokemijskih iz fizikalnih procesov, ki medsebojno odvisno potekajo in vivo na površini kovine. Vstavitev kovinskega vsadka v biološko okolje je bila doslej in vitro večinoma simulirana z elektrokemijskimi korozijskimi meritvami v raztopinah anorganskih soli. Tovrstne študije opisujejo vedenje kovinskih materialov v zelo poenostavljeni simulaciji bio-okolja in so pomembne za splošno poznavanje materialov in relativno primerjavo med njimi, ne morejo pa opisati fiziološke situacije, saj ne vsebujejo bioloških molekul. Slednje so interaktivno vključene v procese na površini vsadka in vivo in jih moramo upoštevati, če se želimo približati fiziološkim pogojem. Ugotovili smo, da nekatere izbrane spojine bistveno vplivajo na delovanje kovine in vitro. V predlaganem projektu bomo to problematiko celostno obravnavali na naslednji način:
Sistematično bomo raziskali vpliv različnih glikozaminoglikanov kot so hialuronska kislina in hondroitin sulfat na vedenje kovinskih materialov v simuliranem fiziološkem okolju. Te dve spojini sta zelo razširjeni v ekstracelularnem matriksu in se uporabljajo za različne namene od kozmetične kirurgije do medija za celične kulture. Njihovo delovanje po implantaciji kovine pa je le malo raziskano kljub nekaterim pokazateljem, da pri tem lahko igrajo pomembno vlogo. Dodatno bomo sistematično testirali vpliv različnih anorganskih ionov, predvsem kalcija in fosforja. Domnevamo, da ti ioni lahko bistveno vplivajo na delovanje posameznih kovin ob prisotnosti bioloških molekul kot so glikozaminoglikani. Poleg tega bomo raziskali še vpliv dodatka proteinov, predvsem albumina, ob prisotnosti posameznih glikozaminoglikanov in anorganskih ionov. Glede na širok spekter lastnosti in procesov, ki jih te spojine regulirajo, pričakujemo, da bomo dobili zelo pomembne rezultate o mehanizmu vzpostavitve meje med kovino in biološkim okoljem. Zelo pomembne so interakcije in dogajanja tik po vstavitvi kovine, ki so tudi odgovorna za tvorbo stabilne meje kovina/kost in odločilno vplivajo na dolgoročno stabilno delovanje vsadka. Raziskali bomo tudi možnost, da bi površino kovine, ki je modificirana s plastjo glikozaminoglikana, uporabili za funkcionalizacijo površine, predvsem za vgradnjo spojin, ki delujejo antibakterijsko. Okužba vsadka je resen zaplet, ki zahteva dolgotrajno antibiotično zdravljenje in se pogosto konča z odstranitvijo vsadka. Zato je interes usmerjen v raziskave, ki bodo pripomogle k zmanjšanju pojavnosti vnetja. Vpliv glikozaminoglikanov in proteinov na tvorbo plasti na površini kovine v simuliranem fiziološkem okolju bomo obravnavali tudi na celičnem nivoju in izvedli teste preživetja celic, njihove proliferacijske aktivnosti in števila apoptotskih celic. V sodelovanju z ortopedi bomo dobili dodatna znanja in podatke o vzorcih sinovialne oz. sklepne tekočine, katere bomo zbrali pri ortopedskih operacijah.
Predlagane znanstvene hipoteze bomo v predlaganem projektu obravnavali z medsebojno različnimi metodami, kar nam bo omogočilo celostno obravnavo zastavljene problematike. Pri študiju korozijske stabilnosti, mehanizma elektrokemijskih procesov in analizi morfoloških, kemijskih, topografskih in kemijskih sprememb površinskih plasti bomo uporabili elektrokemijske metode in metode površinske analize. Z metodami molekularne dinamike bomo določili različne konformacije vijačnice glikozaminoglikanov in identificirali vezavna mesta. Na podlagi rezultatov teorije in simulacije elektrostatskih sile bomo določili vlogo elektrostatskih interakcij med posameznimi glikozaminoglikani in površino kovine. Eksperimenti s celičnimi kulturami nam bodo podali vpogled v dogajanja na celičnem nivoju.
Pomen za razvoj znanosti
Rezultati, dobljeni v okviru tega projekta, pomembno prispevajo k zakladnici novih, kvalitetnih znanstvenih spoznanj na področju interakcij med biomolekulami in kovinsko površino. Uporabljen interdisciplinarni metodološki instrumentarij je omogočil pridobivanje podatkov, ki jih ne bi bilo možno pridobiti znotraj posameznih področij, t. j. kemije oziroma medicine. Vsako izmed teh področij je torej skozi projekt poglobilo področje svojega temeljnega in aplikativnega raziskovanja. Predlagani interdisciplinarni pristop je omogočil boljšo obravnavo zahtevne problematike delovanja kovinskih vsadkov v človeškem telesu. Ravno nadgradnja klasičnih in vitro študij je prispevala pomemben korak naprej, zlasti na področju vpliva biomolekul na tvorbo površinske plasti po izpostavitvi kovine bio-okolju. Doslej so bile tovrstne interakcije premalo upoštevane, njihov prispevek in vivo pa je odločilnega pomena. Najbolj pomembni rezultati projekta so: - Na podlagi rezultatov elektrokemijskih meritev smo pridobili tako kvantitativne kot tudi kvalitativne podatke o korozijski obstojnosti posameznih materialov. Testirali smo hipotezo, da spojine GAG vplivajo na korozijsko obstojnost posamezne implantne zlitine v simulirani fiziološki raztopini. - Rezultati površinsko-analiznih metod so nam omogočili vpogled v morfološke, kemijske, topografske in fizikalne spremembe na površini kovine v odvisnosti od prisotnosti spojin GAG. Testirali smo hipotezo, da spojine GAG vplivajo na tvorbo in sestavo površinske plasti na površini posamezne kovine. - Na podlagi rezultatov metod molekularne dinamike smo določili različne konformacije vijačnice in analizirali kakšna kombinacija H-vezi vodi do najstabilnejše strukture. Nadalje smo poskušali identificirati vezavna mesta za anorganske ione. Potrdili smo hipotezo, da posamezni anorganski ioni vplivajo na konformacijo in s tem tudi na fleksibilnost spojin GAG. - Testi v celičnih kulturah so pokazali, da prevleke, ki se ob prisotnosti GAG spojin tvorijo na površini kovine, vplivajo na značilne profileracijske parametre. - Ob prisotnosti spojin GAG se na površini kovine tvori plast, ki jo lahko uporabimo kot matriks za vgradnjo spojin za izboljšanje delovanja vsadka. To možnost smo uporabili pri ciljani vgradnji srebrnih nanodelcev. Ugotovili smo, da dodane spojine izkazujejo antibakterijsko delovanje. - Vrednosti pH sinovialne oz. sklepne tekočine se spremenijo pri iatrogeno induciranih stanjih kot so optimalno delujoč umetni sklep in omajan umetni sklep. Z združitvijo eksperimentalnih in vitro metod, teoretičnih in simulacijskih metod ter in situ kliničnih meritev smo dobili odgovore na mnoga relevantna vprašanja glede vedenja materiala pod fiziološkimi pogoji, kar bo vsekakor pomembno vplivalo na razumevanje delovanja materiala in vivo.
Pomen za razvoj Slovenije
Čeprav rezultati predlaganega projekta nimajo neposrednega pomena za gospodarstvo, prispevajo k jasnejši sliki o delovanju kovinskih vsadkov in bodo tako lahko v prihodnosti pripomogli k podaljšanju življenjske dobe le-teh. Zmanjšanje števila revizijskih operacij predstavlja ne samo zmanjšanje osebne obremenjenosti pacienta zaradi bolečine, omejenega gibanja in dolgotrajnega postoperativnega okrevanja, ampak ne nazadnje tudi finančno obremenitev za zdravstveno blagajno in s tem družbo v celoti. Z znanstvenim pristopom in načinom organiziranosti projekta se postavljamo v pomembna znanstvena dogajanja in tokove na področju kovinskih biomaterialov, kar dokazujejo tudi naše dosedanje objave v vrhunskih kemijskih in ortopedskih znanstvenih revijah ter nastopi na znanstvenih konferencah. S tem utrjujemo tudi mesto naše države na svetovnem znanstvenem zemljevidu. Tovrstno delo vključuje tudi tesno sodelovanje s tujimi partnerji in dostop do njihovih znanj, kar se kaže v sodelovanju na skupnih projektih in objavljanju skupnih publikacij. Pomembno je tudi, da naše delo vključuje tudi vzgojo mladih kadrov. Ne nazadnje so rezultati predlaganega projekta pomembni predvsem za paciente, posredno pa tudi za celotno družbo, saj ima podaljšanje preživetja kolčnih protez za posledico zmanjšanje števila revizijskih operacij. Dobro zdravstveno počutje in delovna storilnost prebivalcev pa prispevajo k povečanju blaginje družbe v celoti.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
