Untitled

Rezultate preconizate

Proiectul propune obtinerea unui bioaliaj nou Ti-Zr-Ta-Ag avansat, biocompatibil pentru implanturi ortopedice si maxilofaciale cu compozitie si proprietati complet inovative.

Pe termen lung proiectul vizeaza imbunatatirea calitatii vietii pacientilor care vor utiliza noile implanturi avansate ortopedice si maxilofaciale cu performante si fiabilitate excelente in timpul unei perioade lungi de viata (mai mult de 20 de ani) in corpul uman si dezvoltarea durabila prin intermediul unor noi tehnologii prietenoase mediului si de conservare a resurselor naturale datorita duratei lungi de viata a biomaterialelor.

Proiectul se refera atat la implanturile ortopedice cat si la cele maxilofaciale.

- elaborarea unui bioaliaj ternar nou si inovativ de Ti-Ta-Ag care va contine numai elemente netoxice si nealergice (Ti si Ta) si in acelasi timp un element antibacterian (Ag), asigurand rezistenta la coroziune ridicata, eliberare scazuta de ioni, biocompatibilitate si activitate bacteriostatica ridicata pentru a evita reactiile adverse;

- functionalizarea suprafetei aliajului cu nano-particule antibacteriene pentru protectia antibacteriana in primele saptamani dupa implantarea chirurgicala;

- nano-arhitecturarea suprafetei aliajului cu nano /-tuburi, /-canale, /-fibre care vor stimula aderarea directa a implantului la os si vindecarea osului intr-un termen scurt;

- evaluarea compozitiei chimice si a caracteristicilor structurale ale aliajului prin tehnici de nivel inalt: spectroscopie de energie dispersiva de raze X (EDX), difractie de raze X (XRD), microscopie optica si electronica de baleiaj (SEM);

- determinarea proprietatilor mecanice ale aliajului prin teste statice si dinamice;

- comportarea electrochimica si rezistenta la coroziune a aliajului pe termen lung in biofluide umane artificiale, simuland conditii severe de functionare ale unui implant folosind metode electrochimice moderne de polarizare ciclica si lineara, spectroscopie electrochimica de impedanta, monitorizarea potentialelor in circuit deschis si a gradientilor corespunzatori de potential;

- monitorizarea cantitatii de ioni (in special de ioni Ag+) eliberati in biofluide prin metode moderne ca spectroscopie de masa cu plasma cuplata inductiv (ICP-MS);

- selectarea suprafetei functionalizate cu nano-particule antibacteriene cu cea mai favorabila structura si cu cea mai buna activitate bacteriostatica;

- stabilirea nano-arhitecturii cu cele mai optime proprietati de stabilitate si microstructura dintre nano /-tuburi, /-canale, /-fibre;

- caracterizarea morfologiei, rugozitatii, porozitatii nano-arhitecturii suprafetei cu tehnici de nivel mondial: SEM, microscopie de forte atomice (AFM); studiul modificarilor compozitiei suprafetei nano-structurate cu spectroscopie de fotoelectroni de raze X (XPS) cu scopul de a mentine biocompatibilitatea si bioactivitatea aliajului pe termen lung;

- determinarea capacitatii antibacteriene a noului aliaj inainte si dupa functionalizarea suprafetei sale;

- evaluarea biocompatibilitatii aliajului in stare turnata, functionalizat si nano-arhitecturat prin studii in vitro de adeziune, proliferare, activare si diferentiere a celulelor osteoblaste si in vivo pe animale.

Se vor elabora urmatoarele tehnologii:

- tehnologie de laborator pentru sinteza aliajului de implant prin metoda topirii in cuptor cu levitatie, in vid inalt, in atmosfera de argon, cu creuzet rece care este capabila sa topeasca metale cu densitati si temperaturi de topire diferite si sa asigure o inalta omogenitate chimica si structurala;

- tehnologie de laborator pentru functionalizarea suprafetei aliajului cu nano-particule antibacteriene;

- tehnologie de laborator pentru nano-arhitecturarea suprafetei aliajului prin aplicarea de nano /-tuburi, /-canale, /-fibre cu proprietati optime de stabilitate si microstructura;

- tehnologie pentru fabricarea de implant ortopedic si maxilofacial specificand principalii parametri de proces adaptati la compozitia si proprietatile speciale ale noului bioaliaj;

- obtinerea implantului ortopedic si maxilofacial prin elaborarea modelelor functionale.

Rapoarte de activitate

Raport de activitate etapa 1

S-au realizat integral toate activitatile si subactivitatile propuse.

S-au definit cerintele de rezistenta la coroziune si structurale ale noului aliaj.

S-a selectat sistemul de elemente componente ale aliajului propus, avand in vedere: crestera biocompatibilitatii; imbunatatirea caracteristicilor fizico-mecanice; cresterea capacitatii de oseointegrare. Compozitia aliajului s-a stabilit tinand seama de diagramele binare de faza pentru sistemele Ti-Zr, Ti-Ta, Ti-Ag. Cele mai favorabile sisteme sunt Ti-Ta-Ag, Ti-Zr-Ta-Ag.

S-a selectat metoda bacteriostatica de functionalizare a suprafetei noului aliaj; ca metode de caracterizare se vor folosi: -metode electrochimice (voltametrie ciclica, polarizare lineara, spectroscopie electrochimica de impedanta - EIS); -metode microscopice (microscopia electronica de baleiaj - SEM si microscopia de forte atomice - AFM); -metode spectroscopice (spectroscopia de fotoelectroni de raze X - XPS si difractia de raze X - XRD). Ca metode de nanostructurare se vor elabora nano-arhitecturi de tip nano-tub sau nano-canal, sau nano-fibre, selectandu-se cele care in urma testelor de stabilitate, eliberare de ioni si activitate antibacteriana vor dovedi cea mai buna comportare.

Luand in considerare toate aspectele referitoare la aliajele de implant, s-a proiectat tehnologia de laborator noua pentru sinteza noului aliaj Ti-Zr-Ta-Ag elaborandu-se fluxul tehnologic. S-a folosit topirea in semi-levitatie in vid inalt, metoda nepoluanta si care asigura un grad inalt de puritate.

S-au efectuat teste preliminare de rezistenta la coroziune in fluide biologice simulate pentru validarea compozitiei noului aliaj; din cele trei compozitii testate, a rezultat ca aliajul Ti-Zr-Ta-Ag satisface majoritatea cerintelor pentru un bun material de implant.

S-a studiat comportarea la coroziune a noului bioaliaj in stare turnata prin determinarea pentru prima data a principalilor parametri de coroziune si corelarea acestora cu compozitia aliajului.

Comportarea la pasivare a noului bioaliaj in stare turnata in electroliti fiziologici s-a evaluat din: determinarea principalilor parametri electrochimici; elaborarea mecanismului original de pasivare, identificandu-se compozitia si grosimea filmului pasiv cu tehnica XPS.

Studii preliminare privind nano-arhitecturarea suprafetei noului aliaj au condus la obtinerea de nano-tuburi si nano-canale (certificate cu tehnica SEM) urmand a se aprofunda cercetarea in etapa urmatoare.

Rezultate originale:

a) compozitie noua, inovativa a noului aliaj;

b) tehnologie moderna (topire in semi-levitatie) in vid inalt, nepoluanta;

c) determinarea pentru prima data a parametrilor electrochimici si de coroziune ce caracterizeaza comportarea aliajului in solutii fiziologice simulate;

d) identificarea compozitiei originale si a grosimii filmului pasiv de pe suprafata noului aliaj;

e) noutati stiintifice privind nano-arhitecturarea suprafetei noului aliaj prin nano-tuburi si nano-canale (SEM).

Diseminare:

Redactare lucrare stiintifica pentru jurnal ISI.

Raport de activitate etapa 2

Experimentarea tehnologiei de laborator pentru obtinerea aliajului Ti-Zr-Ta-Ag s-a efectuat in cuptor de topire cu levitatie. Pentru tehnologia proiectata s-a realizat modelul functional de laborator. La experimentarea tehnologiei pe instalatia model functional de laborator s-au obtinut probe de bioaliaj cu compozitia Ti-20Zr-5Ta-2Ag.

Analiza compozitiei chimice a noului aliaj a evidentiat ca aceasta este foarte apropiata de compozitia de calcul, ceea ce arata ca tehnologia de sinteza a aliajului Ti-20Zr-5Ta-2Ag experimentata este adecvata.

Imaginile de microscopie in fluorescenta demonstreaza biocompatibilitatea compozitiei aliajului in vitro: celulele L929 au aderat pe suprafata sa si au proliferat; morfologia celulelor aderate este in general alungita cu multe filopode, asemanatoare morfologiei fibroblastelor, dovedind ca aliajul prezinta nanoarhitectura de suprafata permisiva si lipsa compusilor toxici.

S-a stabilit ca implantul ortopedic sa fie placa ortopedica folosita la fixarea osului lung; s-a realizat proiectul tehnic de executie format din trei plansepentru placa, surub de fixare si surub cu blocare.

S-a elaborat tehnologia preliminara de fabricatie a implantului: Fiºa tehnologicã pentru reper 1. Implant ortopedic - 01; Fiºa tehnologicã pentru reper 2 ªurub fixare os lung 28 mm - 02; Fiºa tehnologicã pentru reper 3. ªurub cu blocare lung 52 mm - 03.

Principalii parametri de coroziune pentru noul aliaj Ti-20Zr-5Ta-2Ag in solutii Ringer de diferite valori de pH (simuland conditii reale din corpul uman) sunt mai buni decat cei pentru Ti, confirmand un film pasiv mai protector, mai rezistent existent pe suprafata noului aliaj precum si structura foarte omogena a aliajului.

Spectrele de impedanta Nyquist pentru noul aliaj indica proprietati dielectrice mai bune ale filmului nativ, pasiv in comparatie cu Ti. Spectrele Bode-impedanta releva o comportare capacitiva, un film mai izolator comparativ cu Ti. Spectrele Bode-unghi de faza arata un film pasiv format din doua straturi: un strat bariera, foarte rezistent si un strat poros care permite interactii cu bio-fluidul uman. S-a modelat un circuit electric echivalent cu doua constante de timp.

Spectrele XPS au evidentiat ca filmul nativ pasiv de pe suprafata noului aliaj Ti-20Zr-5Ta-2Ag contine oxizii foarte protectori TiO2, ZrO2, Ta2O5 si Ag metalic, care compacteaza, armeaza filmul pasiv al aliajului in comparatie cu cel al Ti. Acest film pasiv are o grosime de 15 nm ± 1 nm fiind mai gros decat cel existent pe suprafata Ti. Micrografiile SEM au determinat pentru noul aliaj o microstructura bifazica ? + ?, aciculara, omogena si fina.

Celulele au aderat in numar mare pe suprafata noului aliaj Ti-20Zr-5Ta-2Ag si au adoptat, in general, morfologia specifica fibroblastelor: forma alungita prezentand numeroase filopode.

S-au coroborat rezultatele testelor de biocompatibilitate cu cele de activitate antibacteriana si a rezultat ca acoperirea de tip 3 avand o biocompatibilitate buna si activitate antibacteriana de 60% este cea mai potrivita. Aceasta prima selectie de acoperire antibacteriana va fi verificata in Etapa 3. Metoda turbidimetrica folosita a permis selectarea probei cu activitatea antibacteriana cea mai buna.

Prin metoda ICP-MS s-a stabilit ca noul aliaj Ti-20Zr-5Ta-2Ag elibereaza in solutii Ringer de diferite valori de pH ioni de Ti, Zr, Ag. Eliberarea de ioni de Ag este benefica pentru activitatea antibacteriana a noului aliaj.

A rezultat ca: viabilitatea celulelor L929 este buna pentru acoperirile de tip 2 si 3; capacitatea de aderare a celulelor L929 este foarte buna pentru acoperirea antibacteriana de tip 3; morfologia celulelor L929 evolueaza bine in cazul acestei acoperiri de tip 3.

S-au obtinut nano-tuburi si nano-canale pe suprafata noului aliaj; s-a determinat unghiul de contact pentru cele doua nano-structuri, care indica un caracter hidrofil pentru ambele, mai accentuat fiind cel pentru nano-canale. Imaginile SEM au evidentiat morfologia suprafetei obtinute. Bazat pe aceste date experimentale, rezulta ca raspunul celular in cazul suprafetei acoperite cu nano-canale si caracter hidrofil mult mai accentuat va fi mult mai prietenos.

Comportamentul în curent alternativ, metoda EIS a aratat ca rezistenta stratului de oxid are un comportament apropiat de cel pur capacitiv, pe când aliajul nano-structurat are o tendintã pseudo-capacitivã. Din determinarile de spectroscopie UV-VIS in reflexie s-au identificat nano-structurile de Ag: cea mai micã intensitate este observatã pentru nano-tuburi, indicând o prezentã readusã a Ag nano-structurat sub formã de nano-particule; in cazul nano-canalelor intensitatea este semnificativ crescutã.

S-au determinat urmatoarele caracteristici mecanice: limita maxima de rezistenta, limita de curgere, deformatia maxima la rupere, modulul de elasticitate; de asemenea s-a determinat si duritatea noului aliaj. Caracteristicile mecanice rezultate sunt corespunzatoare pentru dezvoltarea aplicatiei vizate, satisfacand cerintele pentru un bun material de implant.

Diseminare

Articol ISI publicat

1. C. C. Manole, C. Pirvu, A. B. Stoian, J. M. Calderon Moreno, D. Stanciu, I. Demetrescu, The electrochemical stability in NaCl solution of nanotubes and nanochannels elaborated on a new Ti-20Zr-5Ta-2Ag Alloy, J. Nanomater, 2015, Article Number: 521276, factor de impact 1,5 (2014).

Articol trimis la jurnal ISI

1. C. Vasilescu, S.I. Drob, P. Osiceanu, J.M. Calderon Moreno, M. Prodana, D. Ionita, I. Demetrescu, E. Vasilescu, Surface characterisation and electrochemical behaviour of new Ti-Zr-Ta-Ag alloy in simulated human electrolyte.

Raport de activitate etapa 3

Experimentarea tehnologiei de laborator pentru obtinerea aliajului Ti-Zr-Ta-Ag a avut in vedere cerintele stabilite pentru procedeul de elaborare, in cuptor de topire cu levitatie. A fost obtinut lotul de test 1 din aliajul cercetat (6 lingouri), cu compozitia Ti-20Zr-5Ta-2Ag.

S-a elaborat proiectul de execuþie al implantului ortopedic cu schitele si schemele aferente; s-au stabilit parametrii tehnologici.S-a elaborat tehnologia de obtinere a implantului ortopedic.

S-au proiectat mai multe modele de implanturi maxilo-faciale. Prin implanturile prototip executate s-a demonstrat viabilitatea tehnologiilor de fabricatie. S-a proiectat si experimentat tehnologia de executie a implantului maxilo-facial urmarindu-se selectarea celor mai buni parametri tehnologici si obtinerea celor mai bune caracteristici.

S-au observat diferente doar minore in privinta numarului de celule aderate pe suprafata discurilor, in toate trei cazurile acesta fiind aproximativ egal (in limita de eroare a masuratorii) cu numarul de celule insamantat initial. De asemenea, exista o tendinta de scadere a ariei medii a celulelor, dar aceasta nu atinge semnificatia statistica. In schimb, factorul de forma are o valoare semnificativ mai mica pentru proba 0.05 ( p < 0.05) sugerand ca celulele de pe acest disc au o morfologie mai stelata, cu un numar mare de adeziuni focale si filopodii.

Nanoparticolele depuse sonochimic pe suprafata aliajului din solutie de AgNO3 sunt sub forma de puncte, spoturi albe si corespund cu diferite faze structurale ale Ag. Marimea nanoparticulelor depuse a fost modulata din parametrii experimentali ai depunerii sonochimice si din concentratia AgNO3. Raspunsul antibacterial impotriva bacteriei Stafilococus Aureus este de 61% cu o biocompatibilitate foarte buna.

Parametrii electrochimici si de coroziune au valori mai favoraile pentru aliajul Ti-20Zr-5Ta-2Ag procesat antibacterian in comparatie cu cel neprotejat datorita filmului pasiv mai rezistent, mai protector datorita efectului benefic exercitat atat de Ag elemental existent in aliaj cat si de nanoparticolele de Ag. Monitorizarea cantitãþii de ioni eliberaþi în fluide umane simulate prin analiza ICP-MS arata cantitatea de ioni de Ag este sub limita de toxicitatea.

Nanotuburile obtinute prezinta o mare variatie de dimensiuni pentru diametru in domeniul de la 35 la 59 nm. Nanocanalele au diametre de dimensiuni mai reduse cuprinse intre 8 si 13 nm. cu un strat neorganizat care acopera nanostructurile. S-au obtinut unghiuri de contact de 44 pentru nanocanale, 54 pentru nanotuburi si 78 pentru aliajul neacoperit.

Analiza SEM a suprafetei aliajului Ti-20Zr-5Ta-2Ag nanostructurat cu nanotuburi sau nanocanale arata structuri tubulare cu diametre de sute de nm iar in regiunile interstitiale cu diametre de zeci de nm, formand o acoperire continua de tuburi si canale conectate cu pereti omogeni, grosi de aprox. 100 nm. Analiza elementala EDX a detectat nelementele de aler Ti, Zr, Ta, Ag si O.

Experimentele EIS indica circuite cu 2 constante de faza pentru aliajul neacoperit. si pentru cel acoperit cu nanocanale si nanotuburi si imersat in SBF. Eliberarea de ioni din aliaj in SBF este de ordinul ppb-ppm. Eliberarea de ion in cazul aliajului acoperit cu nanocanale si cu nanotuburi (NC si NT) este mai mare decat in cazul aliajului neacoperit..

Aliajul neprotejat si nano-arhitecturat permit diferentierea pre-osteoblastelor MC3T3-E1 in osteoblaste in timp ce la suprafata aliajelor protejate anti-bacterian celulele MC3T3-E1 au o capacitate scazuta de diferentiere in osteoblaste.

Etapele tehnologiei de laborator pentru obtinerea de nanoarhitecturi pe noul aliaj respectiv nanotuburi si nanocanale sunt sintetizate in fluxul tehnologic eliberat care cuprinde etapa de pregatire a suprafetei, etapa de oxidare cu solutie acide, etapa de anodizare si etapa de verificare a nanostructurilor obtinute.

Analiza chimica a aliajului turnat arata compozitie chimica apropiata de compozitia de calcul, pierderile nerecuperabile inregistrate datorita tensiunii mici de vapori a unora dintre elemente fiind foarte mici.

S-a demonstrat si validat tehnologia de executie a implantului ortopedic obtinandu-se lotul test de implant ortopedic.

Experimentarea tehnologiei de laborator de protejare antibacterianã a suprafeþei noului aliaj se refera la modul de lucru si consumul de materiale.

Valorile de inhibitie a cresterii bacteriene pe aliajul acoperit antibacterian a fost de 21,38% si 84,47%. Comparand aceste valori cu valoarea 10.26%. care reprezinta indicele de inhibitie a cresterii bacteriene pe aliajul ca atare si cu indicele 60,72% corespunzator probei care contine Ag se poate stabili ca proba cu efect antibacterian maxim este cea in care s-a introdus Ag.

O expresie a validarii tehnologiei de nanoarhitecturare a aliajului nanostructurat o reprezinta datele de stabilitate si de inhibitie a efectului antibacterian.

Diseminare

Lucrari acceptate sau trimise la reviste ISI

1. C. Vasilescu, S. I. Drob, P. Osiceanu, J. M. Calderon Moreno, M. Prodana, D. Ionita, I. Demetrescu, M. Marcu, I. A. Popovici, E. Vasilescu, Microstructure, surface characterization and electrochemical behavior of new Ti-Zr-Ta-Ag alloy in simulated human electrolyte, Metall. Mater. Trans. A. DOI: 10.1007/S11661-016-3774-2.

2. C. Vasilescu, P. Osiceanu, J. M. Calderon Moreno, S. I. Drob, S. Preda, M. Popa, I. Dan, M. Marcu, M. Prodana, I. A. Popovici, D. Ionita, E. Vasilescu, Microstructure, surface characterization and long-term stability of new quaternary Ti-Zr-Ta-Ag alloy for implant use, acceptat laMater. Sci. Eng.C.

3. M. Mindroiu, C. Manole, A. Nicoara, I. Demetrescu, E.Vasilescu, A comparative investigation of nanotubes and nanochannels surface coating behavior on a new Ti-20Zr-5Ta-2Ag alloy surface, trimis la revista ISI

Lucrari comunicate la Congrese Internationale

1. C.Vasilescu, S. I. Drob, J. M. Calderon Moreno, I. Demetrescu, A. Salageanu, E. Vasilescu, Fuctionalization of new Ti-Zr-Ta-Ag alloy surface by deposition of antibacterial nanoparticles, 19th Topical Meeting of the International Society of Electrochemistry, 17-20 April 2016, Auckland, New Zealand, s1-088.

2. C, Vasilescu, S.I. Drob, P. Osiceanu, J.M. Calderon Moreno and E. Vasilescu, Passive film behavior of new quaternary Ti based alloy, International Conference of Physical Chemistry, ROMPHYSCHEM 16, 21-23 Sept. Galati, S04-P19.

Brevet inregistrat la OSIM

Brevet A / 00056 / 26.01.2016, Bioaliaj Ti-Zr-Ta-Ag pentru implanturi ortopedice, E. Vasilescu, J. M. Calderon Moreno, C. Vasilescu, S. I. Drob, D. E. Stanciu, S. Ivanescu, M. D. Ionita, M. Prodana.