J1-2470

 

 

 

 

Oznaka in naziv projekta

J1-2470 Biofunkcionalizacija 3D-tiskanih kovinskih zlitin kot novo nastajajoča strategija za zmanjšanje neželenih učinkov ortopedskih vsadkov

Projektna skupina

Vodja projekta: izr. prof. dr. Matjaž Finšgar

Sodelujoče raziskovalne organizacije:

  1. Fakulteta za kemijo in kemijsko tehnologijo Univerze v Mariboru
  2. Medicinska fakulteta Univerze v Mariboru
  3. Fakulteta za strojništvo Univerze v Mariboru
  4. Univerza v Novi Gorici

https://cris.cobiss.net/ecris/si/sl/project/18234

Vsebinski opis projekta

Razvoj strategij in rešitev za preprečevanje ali zmanjšanje neželenih stranskih učinkov pri uporabi medicinskih vsadkov je še vedno delno nerešen izziv. V zgodnji fazi celjenja lahko odziv človeškega telesa na vsadek sega od minimalnega lokalnega vnetja do obsežne in kronične reakcije na tujek. V tej fazi zasnova površine vsadka ključno vpliva na uspešnost celjenja. Končni cilj je, da se prepoznavanje vsadka kot tujka zmanjša ali oslabi, ponavadi s skrbno izbiro zunanje prevleke, kar lahko zmanjša začetni vnetni celični odziv.

Izbor materialov za ogrodje in njihova arhitekturna zasnova igrata kritično in vse bolj kompleksno vlogo pri spodbujanju regeneracije kosti z zagotavljanjem strukturne podobnosti materiala matični kostni osnovi. S spreminjanjem specifičnih površinskih značilnosti vsadka je mogoče spodbuditi ugodnejšo interakcijo med vsadkom in kostjo, s čimer se poveča osteointegracija vsadka.

3D-tiskanje omogoča izdelavo zapletenih struktur, idealno prilagojenih potrebam vsakega bolnika, ki upoštevajo specifične značilnosti posamezne poškodbe, zmanjšajo izgubo kosti zaradi vsaditve, hkrati pa zagotavljajo površine, ki so anatomsko bolj sorodne kosti. Uporaba po meri narejenih kirurških pripomočkov izrazito skrajša čas posega in izboljša rezultat operacije, kar posledično skrajša čas bivanja v bolnišnici.

Nošenje, korozija in izpostavljenost spreminjajočemu se okolju po daljšem časovnem obdobju privedejo do makroskopskih in mikroskopskih sprememb kovinskega vsadka, kar lahko privede do neželenih vplivov na okoliška tkiva, zaradi česar je zdravo okolje vsadka dovzetno za okužbo. Napredni premazi na različnih substratih za ortopedske namene lahko dosežejo sinergijski učinek bioaktivnosti v povezavi z visoko mehansko trdnostjo. Še pomembneje je, da lahko takšni premazi zaščitijo zlitine z blaženjem korozije, ker predstavljajo oviro za uhajanje kovinskih ionov v močno korozivno biološko okolje.

Učinkovito zdravljenje je mogoče zagotoviti le z nadzorovanim sproščanjem vseh zdravilnih učinkovin. Medtem ko nekatera zdravila zagotavljajo želeni profil raztapljanja/sproščanja (razlike v topnost vodijo do različnih profilov sproščanja), so za dosego tega običajno potrebna sredstva kontroliranega sproščanja zdravilnih učinkovin. Nadzorovano sproščanje je še pomembnejše, če ga želimo doseči v formulacijah z več zdravilnimi učinkovinami, saj mora to zagotavljati kombinirano terapijo v prostoru in času. Nosilni materiali za aktivne učinkovine morajo biti biološko razgradljivi, temeljito znanje o medsebojnem delovanju vseh sestavin materiala  z okoljem pa pogosto ni na voljo. S podrobnimi študijami interakcij je mogoče jasno razumeti mehansko kinetiko in kinetiko sproščanje, ter to poglobljeno znanje uporabiti za optimizacijo uporabe materialov, kar izboljša varnost in učinkovitost terapevtskega materiala.

Cilj predlaganega projekta je razviti nove bioaktivne večnamenske prevleke na 3D-tiskanih kovinskih zlitinah za ortopedske vsadke. Predlagani projekt gradi na obstoječem znanju in ga nadgrajuje, zagotavlja pa tudi popolnoma nove rešitve glede priprave prevlek, doseganja njihovih bioaktivnosti in večnamenskosti končnega materiala.

Cilj vsakega kirurškega posega je uporaba najučinkovitejših vsadkov z najboljšo biokompatibilnostjo in z najdaljšo možno življenjsko dobo. To je mogoče doseči le s prilagoditvijo vsadka individualnim potrebam pacienta. Naš pristop obeta razvoj zdravljenja “vse v enem”, kar bi lahko prineslo naslednje prednosti:

  • manjšo možnost zavrnitve umetnega vsadka zaradi protivnetnega delovanja,
  • preprečevanje okužb med operacijo ali po njej,
  • nižje tveganje za pojav venske tromboembolije,
  • pospeševanje rasti želenih osteoblastov (kostnih celic) bodisi z izbranimi materiali bodisi s pomočjo vgrajenih zdravilnih učinkovin.

Faze projekta

  1. Priprava 3D-tiskanih materialov z izboljšanimi kemijskimi in metalurškimi lastnostmi.
  2. Formulacija osnovnega materiala in sistematična karakterizacija njegovih lastnosti.
  3. Priprava novih kompleksnih in večnamenskih bioaktivnih prevlek in njihova integracija na substrate.
  4. Korozijski testi.
  5. Preučevanje interakcijskih pojavov v modelnih in in vitro
  6. Ovrednotenje:
  • fizikalno-kemijske,
  • strukturne in morfološke,
  • bioaktivne funkcionalnosti prevlečenih površin.
  1. Študije biokompatibilnosti in predklinično testiranje učinkovitosti.

Reference

  1. Kravanja, K.A. and M. Finšgar, A review of techniques for the application of bioactive coatings on metal-based implants to achieve controlled release of active ingredients. Materials & Design, 2022: p. 110653.
  2. Bjelić, D. and M. Finšgar, The role of growth factors in bioactive coatings. Pharmaceutics, 2021. 13(7): p. 1083.
  3. Mastnak, T., U. Maver, and M. Finšgar, Addressing the Needs of the Rapidly Aging Society through the Development of Multifunctional Bioactive Coatings for Orthopedic Applications. International Journal of Molecular Sciences, 2022. 23(5): p. 2786.
  4. Marovič, N., et al., Magnetic nanoparticles in 3D-printed scaffolds for biomedical applications. Nanotechnology Reviews, 2023. 12(1).
  5. Pal, S., et al., Effect of surface powder particles and morphologies on corrosion of Ti-6Al-4 V fabricated with different energy densities in selective laser melting. Materials & Design, 2021. 211: p. 110184.
  6. Leban, M.B., T. Kosec, and M. Finšgar, Corrosion characterization and ion release in SLM-manufactured and wrought Ti6Al4V alloy in an oral environment. Corrosion Science, 2022. 209: p. 110716.
  7. Drstvenšek, I., et al., Influence of local heat flow variations on geometrical deflections, microstructure, and tensile properties of Ti-6Al-4 V products in powder bed fusion systems. Journal of Manufacturing Processes, 2021. 65: p. 382-396.
  8. Bajt Leban, M., T. Kosec, and M. Finšgar, The corrosion resistance of dental Ti6Al4V with differing microstructures in oral environments. Journal of Materials Research and Technology, 2023. 27: p. 1982-1995.
  9. Pal, S., et al., Mechanisms of defect formation in Ti-6Al-4V product during re-melting of layers in selective laser melting. Journal of Manufacturing Processes, 2023. 105: p. 260-275.
  10. Maver, T., et al., Clindamycin-based 3D-printed and electrospun coatings for treatment of implant-related infections. Materials, 2021. 14(6): p. 1464.
  11. Kravanja, K.A., et al., Evaluation of Natural Extracts as Promising Components of Bioactive Coatings for Orthopedic Implants. Frontiers in Materials, 2022. 9: p. 878176.
  12. Bjelić, D. and M. Finšgar, Bioactive coatings with anti-osteoclast therapeutic agents for bone implants: Enhanced compliance and prolonged implant life. Pharmacological Research, 2022: p. 106060.
  13. Kravanja, K.A., et al., Supercritical Fluid Technologies for the Incorporation of Synthetic and Natural Active Compounds into Materials for Drug Formulation and Delivery. Pharmaceutics, 2022. 14(8): p. 1670.
  14. Rožanc, J., et al., Dexamethasone-loaded bioactive coatings on medical grade stainless steel promote osteointegration. Pharmaceutics, 2021. 13(4): p. 568.
  15. Finšgar, M., J. Kovač, and U. Maver, The development and characterization of bioactive coatings for local drug delivery in orthopedic applications. Progress in Organic Coatings, 2021. 158: p. 106350.
  16. Bračič, M., et al., Amoxicillin doped hyaluronic acid/fucoidan multifunctional coatings for medical grade stainless steel orthopedic implants. Applied Surface Science, 2023. 611: p. 155621.
  17. Kravanja, K.A., et al., Ketoprofen-loaded PLGA-based bioactive coating prepared by supercritical foaming on a TiAl6V4 substrate for local drug delivery in orthopedic applications. Progress in Organic Coatings, 2024. 186: p. 108026.
  18. Pantić, M., et al., Evaluation of ethanol-induced chitosan aerogels with human osteoblast cells. International Journal of Biological Macromolecules, 2023. 253: p. 126694.
  19. Kravanja, K.A., et al., The synthesis, surface analysis, and cellular response of titania and titanium oxynitride nanotube arrays prepared on TiAl6V4 for potential biomedical applications. Journal of Materials Research and Technology, 2023. 24: p. 4074-4090.
  20. Finšgar, M., Advanced surface analysis using GCIB-C60++-tandem-ToF-SIMS and GCIB-XPS of 2-mercaptobenzimidazole corrosion inhibitor on brass. Microchemical Journal, 2020. 159: p. 105495.
  21. Finšgar, M., Surface analysis and interface properties of 2-aminobenzimidazole corrosion inhibitor for brass in chloride solution. Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2020. 412(30): p. 8431-8442.
  22. Finšgar, M., The influence of the amino group in 3‐amino‐1, 2, 4‐triazole corrosion inhibitor on the interface properties for brass studied by ToF‐SIMS. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2021. 35(7): p. e9056.
  23. Finšgar, M., Time‐of‐flight secondary ion mass spectrometry and X‐ray photoelectron spectroscopy study of 2‐phenylimidazole on brass. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2021. 35(2): p. e8974.
  24. Finšgar, M., The interface characterization of 2-mercapto-1-methylimidazole corrosion inhibitor on brass. Coatings, 2021. 11(3): p. 295.
  25. Majer, D. and M. Finšgar, An l-cysteic acid-modified screen-printed carbon electrode for methyl parathion determination. Microchemical Journal, 2022. 183: p. 108098.
  26. Kravanja, K.A. and M. Finšgar, Analytical Techniques for the Characterization of Bioactive Coatings for Orthopaedic Implants. Biomedicines, 2021. 9(12): p. 1936.
  27. Finšgar, M., Surface analysis by gas cluster ion beam XPS and ToF-SIMS tandem MS of 2-mercaptobenzoxazole corrosion inhibitor for brass. Corrosion Science, 2021. 182: p. 109269.
  28. Žurga, N., D. Majer, and M. Finšgar, Pb (II) Determination in a Single Drop Using a Modified Screen-Printed Electrode. Chemosensors, 2021. 9(2): p. 38.
  29. Bukovec, M., K. Xhanari, and M. Finšgar, Development and analysis of frits for enamelling AA2024, AA6082 and AA7075 aluminium alloys. Materials and Corrosion, 2021. 72(4): p. 660-671.
  30. Zidarič, T., et al., The development of an electropolymerized, molecularly imprinted polymer (MIP) sensor for insulin determination using single-drop analysis. Analyst, 2023. 148(5): p. 1102-1115.
  31. Majer, D. and M. Finšgar, Single-drop analysis of epinephrine and uric acid on a screen-printed carbon electrode. Biosensors, 2021. 11(8): p. 285.
  32. Majer, D., T. Mastnak, and M. Finšgar, An Advanced Statistical Approach Using Weighted Linear Regression in Electroanalytical Method Development for Epinephrine, Uric Acid and Ascorbic Acid Determination. Sensors, 2020. 20(24): p. 7056.
  33. Rožanc, J., et al., Mesenchymal Stem Cells Isolated from Paediatric Paravertebral Adipose Tissue Show Strong Osteogenic Potential. Biomedicines, 2022. 10(2): p. 378.
  34. Gradišnik, L., et al., The Endplate Role in Degenerative Disc Disease Research: The Isolation of Human Chondrocytes from Vertebral Endplate—An Optimised Protocol. Bioengineering, 2022. 9(4): p. 137.
  35. Rožanc, J., M. Finšgar, and U. Maver, Progressive use of multispectral imaging flow cytometry in various research areas. Analyst, 2021. 146(16): p. 4985-5007.
  36. Vihar, B., et al., Investigating the Viability of Epithelial Cells on Polymer Based Thin-Films. Polymers, 2021. 13(14): p. 2311.