Projekti / Programi
Funkcionalizacija biomedicinskih vzorcev s termodinamsko neravnovesno plinsko plazmo
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 7.00.00 |
Interdisciplinarne raziskave |
|
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P400 |
Naravoslovno-matematične vede |
Fizikalna kemija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 1.07 |
Naravoslovne vede |
Druge naravoslovne vede |
srčne zaklopke, plinska plazma, krvni proteini, biokompatibilne prevleke, površine, funkcionalizacija, polimer, nano strukture, grafen
Raziskovalci (24)
Organizacije (4)
Povzetek
S ciljem izboljšanja hemokompatibilnosti srčnih zaklopk bomo opravili sistematične modifikacije površinskih lastnosti ustreznih materialov. Za dosego končnega cilja bomo uporabili različne postopke obdelave, ki jih bomo tudi natančno ovrednotili: i) Superhidrofilizacija, ki jo bomo dosegli z zelo grobo površino na nanometrskem nivoju in nasičenostjo s polarnimi funkcionalnimi skupinami, ii) funkcionalizacijo za neravnovesno plinsko plazmo in kasnejšim nanosom hemokomtatibilnih prevlek, iii) inkorporacijo z žveplom bogatih funkcionalnih skupin, iiii) depozicijo večplastnih grafenskih pravokotno stoječih nanostruktur, ki jih bomo prevlekli s superhidrofilno prevleko, in iiiii) endotalizacijo srčnih zaklopk, ki smo jih predhodno modificirali z zgoraj navedenimi tehnikami. Posamezne postopke funkcionalizacije bomo optimirali tako, da bomo izbrali najprimernejše plazemske parametre za stabilno modifikacijo. Uporabili bomo plinsko plazmo z domala poljubno gostoto toka kemijsko reaktivnih radikalov, ki jo bomo ustvarili v plinih kot so H2S, SO2, NH3 in O2. Z uporabo izjemno selektivnega plazemskega jedkanja bomo pripravili površino srčnih zaklopk z močno izraženo morfologijo na nanoskopskem nivoju, tako da bo obdelovanec prevlečen z nanostožci značilne dimenzije 50 nm. Gre za tehniko, ki smo jo pravkar razvili v naših laboratorijih za obdelavo nekaterih drugih materialov. Kjer bo potrebno, bomo namesto energetskih ionov uporabili za obdelavo površin reaktivne nevtralne plinske delce, s čimer bomo dosegli domala optimalno selektivnost obdelave. Večplastne grafinske prevleke bomo nanesli pravokotno na površine vzorcev in jih obdelali z različnimi zaporednimi tehnikami, tako da bomo dobili superhidrofilne lastnosti površine, ki bo prekrita z nanostenami, med katerimi bo značilna razdalja 10 nm. Postopek obdelave bomo tudi patentirali. Večji del eksperimentov bomo opravili na modelnih vzorcih, najbolj perspektivne v smislu izboljšane hemokompatibilnosti materialov pa bomo ponovili na pravih srčnih zaklopkah. Poleg obširnih bioloških testiranj bomo uporabili tudi sodobne metode za generiranje in karakterizacijo plinske plazme, kakor tudi standardne visokoresolucijske tehnike za karakterizacijo površin in tankih plasti, kamor sodijo XPS, SIMS, SEM in AFM.
Pomen za razvoj znanosti
Pojasnili smo pojav izjemno selektivnega jedkanja polimerov med obdelavo z visoko neravnovesno plinsko plazmo, ki vodi k termodinamsko popolnoma neverjetnemu pojavu nanostožcev. Obsežne raziskave, ki smo jih opravili v okviru tega projekta, so potrdile hipotezo, po kateri je formiranje nanostožcev posledica nehomogenosti prvotnega materiala. V primeru polimerov gre za semikristaliničnost, zaradi katere se amorfna faza jedka hitreje, kar velja tudi za robove kristalnih zrn. Kinetika interakcije z ioni in nevtralnimi radikali zato po dolgotrajnejši obdelavi vodi do nanostožcev, kar je sicer v nasprotju s klasično ravnovesno termodinamiko, ki narekuje minimiziranje površine. Tudi pirolitičen grafit, ki ne vsebuje amorfne faze, se prav tako jedka nehomogeno zaradi pojava povečanega jedkanja robov kristalnih zrn, rezultat (nanostožci) pa je isti. Pojasnili smo tudi staranje materialov, ki so funkcionalizirani s polarnimi skupinami in sicer smo jasno pokazali, da gre za relaksacijo termodinamsko neravnovesnega stanja, saj hitrost staranja monotono narašča s temperaturo vzorcev. Prvi na svetu smo poročali o biokompatibilnost srčnih zaklopk z nanosom večplastnih grafenskih nanostruktur. Kljub temu, da je postal grafen izjemno popularen zaradi nedavne Nobelove nagrade, nobena raziskovalna skupina na svetu ni poročala o hemokompatibilnosti tovrstnega materiala. Naši rezultati so zaradi tega dovolj inovativni in uporabni v medicinski praksi, da smo vložili patentno prijavo. Ustrezen znanstveni članek je v pripravi in ga omo oddali ko bo patentna prijava dostopna v patentnih bazah - septembra 2015.
Pomen za razvoj Slovenije
Neposredni vpliv predloženega projekta na družbeni ekonomski razvoj in konkretno našega industrijskega partnerja je povsem jasen: industrijski partner želi vstopiti v specifično tržno nišo kardiovaskularnih vsadkov, ki jo odlikuje izjemno visoka dodana vrednost. Trenutno je značilna cena implantatov več tisoč eurov, pri čemer so neposredni proizvodni stroški preprosto zanemarljivi v primerjavi z ceno znanja. Slovenija, ki sodi v svetovnem merilu med bogate države, želi čimveč tovrstnih aktivnosti, saj prinašajo podjetjem, posredno pa tudi državi, dobičke oz. ugodnosti. Kot smo že omenili, smo pripravili mednarodno patentno prijavo, ki je ključen rezultat tega projekta - glej družbeno ekonomski rezultat številka 1. Verjamemo, da bodo raziskave, ki smo jih opravili v tem projektu, predstavljale solidno osnovo za nadaljnje izkoriščanje. Kot izkušeni raziskovalci se zavedamo, da lahko komercializacija znanstvenih rezultatov uspe šele po obsežnih razvojnih aktivnostih, posebej za biomedicinske izdelke, pa tudi po obsežnih testiranjih novega izdelka ali tehnologije. Znano je, da registracija novih farmacevtskih ali medicinskih izdelkov zahteva izredno obsežna testiranja po striktnih protokolih, ki pogosto trajajo desetletje ali celo dje. Projekt je bil triletni, tako da kakršno koli komercializacije rezultatov nismo predvideli do konca projekta. V naslednjem koraku bomo morali opraviti in-vivo teste na modelnih živalih. Če bodo tudi te testi dali podobne rezultate, kot smo jih dosegli z in-vitro testi, lahko pričakujemo klinične teste in kasneje komercializacijo pridobljenega znanja.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Letno poročilo
2011,
2012,
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
