PCCA 253/2014

ENGLISH VERSION

Director proiect:

Dr. Raluca Nicoleta Ion

Telefon: 021.318.15.75/int 106

Fax : 021.318.15.75/int 102

E-mail: rciubar@yahoo.com

 

Institutia coordonatoare:

Universitatea din Bucuresti

Facultatea de Biologie, Departamentul de Biochimie si Biologie Moleculara

www.dbbm.bio.unibuc.ro

 

Institutii partenere:

Universitatea Politehnica din Bucuresti – P1

Institutul National de Cercetare Dezvoltare pentru Fizica Laserilor, Plasmei si Radiatiei – P2

S.C. R&D Consultanta si Servicii SRL – P3

S.C. Tehnomed Impex CO S.A. – P4

 

Autoritatea contractanta: UEFISCDI

Codul proiectului: PN-II-PT-PCCA-2013-4-0473

Tipul, numarul proiectului: PCCA 253/2014

Titlul proiectului: Noi acoperiri nanostructurate multifunctionale pentru implanturi ortopedice

Acronim: NanoCoat

Durata: 24 luni

Buget: 1.100.000.00 lei

 

Rezumat proiect:

Materialele folosite in prezent pentru fixarea interna a fracturilor si inlocuirea articulatiilor sunt confectionate din metale. Cu toate acestea, implanturile metalice prezinta doua neajunsuri, unul se refera la interactiunea slaba dintre suprafata metalica a implantului si osul inconjurator, iar celalalt la rigiditatea crescuta a implanturilor metalice comparativ cu cea a osului natural. In plus, complicatii asociate implanturilor datorate infectiilor bacteriene apar frecvent. Functia antibacteriana a implantului impune provocari suplimentare pentru dezvoltarea implanturilor pe langa cerintele de osteointegare si constrangerile mecanice si biomecanice, astfel incat in majoritatea cazurilor cerinte aproape incompatibile trebuie indeplinite. Pentru procesul de osteointegrare este importanta promovarea fixarii osteoblastelor, si in acelasi timp prevenirea aderarii bacteriilor. Insa celulele si bacteriile raspund diferit la caracteristicile de suprafata ale implantului, ceea ce ofera oportunitatea de a cauta o solutie optima. Speranta de viata actuala a implanturilor metalice este estimata la 10-15 de ani. Avand in vedere imbatranirea populatiei, o a doua implantare se impune din ce in ce mai mult. Cu toate acestea reviziile chirurgicale pot fi de doua ori mai scumpe decat operatia primara si pot duce la complicatii semnificative, care includ infectii, durere si pierderea mobilitatii. Acest proiect de cercetare isi propune abordarea acestor probleme.

Un nou material metalic (aliaj de titan cu modul de elasticitate scazut) cu doua tipuri de acoperiri nanostructurate, nanotuburi de oxid de titan si, respectiv, nanowall-uri de carbon, va fi proiectat, dezvoltat si investigat pentru fixarea optima a implantului prin integrarea inovativa a stiintei materialelor, fizicii, chimiei si stiintelor vietii. Nanoparticule de oxid de ceriu vor fi imobilizate prin electrodepunere pentru a furniza acoperirilor proprietati antibacteriene. Noul aliaj de beta-titan impreuna cu noile acoperiri vor conferi implanturilor ortopedice o excelenta rezistenta la coroziune, o duritate adecvata, compatibilitate mecanica sporita si bioactivitate pentru promovarea regenerarii tesutului osos, fixarea implanturilor si prevenirea infectiilor bacteriene, oferind astfel o solutie inovativa la toate problemele cu care se confrunta implanturile metalice existente in prezent pe piata.

Suprafetele functionalizate vor fi complet caracterizate din punct de vedere al proprietatilor fizice, compozitiei chimice si activitatii biologice. Studiile biologice in vitro vor include evaluarea adeziunii, proliferarii si diferentierii osteoblastelor, precum si evaluarea eliberarii citokinelor pro-inflamatorii, a oxidului nitric si formarea celulelor gigant in culturi de macrofage. In paralel, va fi studiata adeziunea tulpinilor de Staphylococcus aureus si Escherichia coli si formarea biofilmelor pe suprafata aliajului acoperit si neacoperit. Toate datele obtinute vor fi analizate pentru a selecta dintre alternative acoperirea optima. Pentru a valida acest concept se are in vedere fabricarea unui implant demonstrativ.

Rezultatele acestui proiect vor avea efecte sociale si economice favorabile asupra societatii, deoarece calitatea vietii pacientilor care folosesc noile implanturi ar putea fi imbunatatita considerabil. Mai mult, o scadere a numarului de revizii chirurgicale se va traduce in reducerea costurilor de ingrijire a sanatatii. Impactul general al acestui proiect va fi de asemenea evident in angajamentul nostru puternic fata de dezvoltarea resursei umane.

 

Obiectivele specifice ale parteneriatului:

Scopul proiectului este dezvoltarea unui nou material de implant constand dintr-un nou aliaj pe baza de titan cu o biocompatibilitate excelenta, cu componente non-toxice de aliere, pe care doua tipuri de nanostructuri, nanotuburi de oxid de titan si, respectiv, nanowalluri de carbon, functionalizate cu nanoparticule de oxid de ceriu, vor fi depuse pentru a evita complicatiile observate dupa procedurile de implantare osoasa, cum sunt slabirea implantului si infectiile, eliminand astfel nevoia frecvent experimentata de revizie a implantului.

Pe parcursul realizarii proiectului, atingerea obiectivului general presupune indeplinirea punctuala a obiectivelor specifice enumerate mai jos, care, la randul lor, trebuie sa depaseasca barierele tehnice si stiintifice pre-existente. Astfel, obiectivele specifice stabilite initial pentru a fi realizate sunt:

1.dezvoltarea unui nou aliaj de beta-titan cu proprietati mecanice superioare care urmeaza sa fie utilizat pe post de corp al implantului;

2.depunerea a doua tipuri de acoperiri nanostructurate formate din nanotuburi de oxid de titan si, respectiv, nanowalluri de carbon, pe noul aliaj de beta-titan, cu scopul de a obtine o fixare optima a implantului si de a imbunatati in continuare biocompatibilitatea;

3.sinteza in laborator de nanoparticule de oxid de ceriu si caracterizarea lor;

4.functionalizarea acoperirilor cu nanoparticule de oxid de ceriu si caracterizarea sistemelor acoperire/substrat non-functionalizate sau functionalizate cu nanoparticule de oxid de ceriu;

5.evaluarea activitatii antibacteriene a sistemelor acoperire/substrat non-functionalizate sau functionalizate cu nanoparticule de oxid de ceriu si selectia acelui sistem care reduce infectia la minimum;

6.testarea biocompatibilitatii care va consta din: 1) evaluarea citotoxicitatii sistemelor acoperire/substrat; 2) studii in vitro privind interactiunile dintre osteoblaste si sistemele acoperire/substrat pentru a determina care sunt cele mai relevante pentru aplicatii ortopedice; 3) studii in vitro pentru a investiga potentialul inflamator al celor mai promitatoare acoperiri;

7.la nivel industrial, activitatile de cooperare se vor concentra pe fabricarea de prototipuri de implanturi ortopedice cu geometrie imbunatatita, in scopul de a aplica tehnologiile concepute la scara industriala.

 

Rezultatele asteptate ale proiectului:

1.Dezvoltarea unei noi tehnologii pentru sinteza aliajului pe baza de titan, acoperirea si functionalizarea suprafetei in vederea implementarii industriale;

2.Noi cunostinte care vizeaza dezvoltarea aliajului si a acoperirilor, interactiile material-entitati biologice, care vor fi diseminate prin intermediul paginii web a proiectului, prin intermediul publicatiilor stiintifice cotate ISI, si prin participarea la reuniuni stiintifice nationale si internationale;

3.Executia de implanturi ortopedice pe baza de titan cu acoperiri multifunctionale caracterizate prin biocompatibilitate crescuta, proprietati mecanice adecvate, capacitate de osteointegrare si de a preveni infectiile imbunatatite.

 

Echipa de cercetareFisier de tip .pdf ! Lista personal 

 

Rapoarte stiintifice:

Fisier de tip .pdf ! Rezumat etapa I 

Fisier de tip .pdf ! Rezumat etapa II

Fisier de tip .pdf ! Rezumat etapa III 

Fisier de tip .pdf ! Rezumat etapa IV

PUBLICATII

 Articole:

  1. Dumitriu C., Ungureanu C., Popescu S., Tofan V., Popescu M., Pirvu C., Ti surface modification with a natural antioxidant and antimicrobial agent, Surface & Coatings Technology 276 (2015) 175-185, FI=1.998.
  2. Ion R., Vizireanu S., Stancu C.E., Luculescu C., Cimpean A., Dinescu G., Surface plasma functionalization influences macrophage behavior on carbon nanowalls, Materials Science and Engineering C 48 (2015) 118-125, FI=3.088.
  3. Dumitriu C., Popescu M., Ungureanu C., Pirvu C., Antibacterial efficiencies of TiO2 nanostructured layers prepared in organic viscous electrolytes, Applied Surface Science 341 (2015) 157-165, FI=2.711.
  4. Ungureanu C., Dumitriu C., Popescu S., Enculescu M., Tofan V., Popescu M., Pirvu C., Enhancing antimicrobial activity of TiO2/Ti by torularhodin bioinspired surface modification, Bioelectrochemistry 107 (2016) 14-24, FI=3.556.
  5. Ion R., Vizireanu S., Luculescu C., Cimpean A., Dinescu G., Vertically, interconnected carbon nanowalls as biocompatible scaffolds for osteoblast cells, Journal of Physics D: Applied Physics 49 (2016), Article number 274004, FI=2.772.
  6.  Popescu S., Mandroiu M., Cabuzu D., Pirvu C., The roll of NaPSS surfactant on the ceria nanoparticles embedding in polypyrrole films,  Journal of Nanomaterials 2016 (2016) Article ID 9747931. FI=1.758.

Participari la reuniuni stiintifice internationale:

  1. Vizireanu S., Stancu C., Ion R., Cimpean A., Stoica S.D., Ionita M.D., Luculescu C., Dinescu G., Surface engineered carbon nanowalls with improved biological cells activity, E-MRS Spring Meeting, Lille, France, 11-15 Mai, 2015, Poster W36.
  2. Popescu S., Dumitriu C., Ungureanu C., Ion R., Pirvu C., New coatings based on TiO2/CeONP for enhanced osseointegration and antibacterial effect, RICCCE 19 - 19th Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, Sibiu, Romania, 2-5 Septembrie, 2015, prezentare orala.
  3. Dumitriu C., Ungureanu C., Pirvu C., Influence of electrolyte water contents on titanium surface modification, RICCCE - 19th Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, Sibiu, Romania, 2-5 Septembrie, 2015, prezentare orala.
  4. Mindroiu M., Popescu S., Cabuzu D., Pirvu C., The roll of the NaPSS surfactant on the ceria nanoparticles embedding in polypyrrole films, RICCCE 19 - 19th Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, Sibiu, Romania, 2-5 Septembrie, 2015, poster.
  5. Pirvu C., Mindroiu M., opescu S., Mott Schottky analysis a useful tool for investigation of polypyrrole film interaction with biological environments, RICCCE 19 - 19th Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, Sibiu, Romania, 2-5 Septembrie, 2015, poster.  
  6. Ion R., Vizireanu S., Neacsu P., Mitran V., Dinescu G., Cimpean A., The effects of vertically, interconnected carbon nanowalls on bacteria and osteoblasts, 1st Biennale Conference - BIOMATERIALS FOR HEALTHCARE: Biomaterials for Tissue and Genetic Engineering and the Role of Nanotechnology - BIOMAH, Roma, Italia, 17-20 Octombrie, 2016, poster.
  7. Popescu S., Pirvu C., Dumitriu C., Ungureanu C., Bioactivation of titanium surface with coatings based on cerium oxide nanoparticles, 11th International Conference on Surfaces, Coatings and Nanostructured Materials (NANOSMAT), Aveiro, Portugalia, 6-9 Septembrie, 2016, poster.
  8. Pirvu C., Popescu S., Dumitriu C., Ungureanu C., Bio-adhesion of a natural antioxidant coating on titanium surface, 11th International Conference on Surfaces, Coatings and Nanostructured Materials (NANOSMAT), Aveiro, Portugalia, 6-9 Septembrie, 2016, poster.
  9. Popescu S., Dumitriu C., Ion R., Pirvu C., Synthesis and characterization of biocompatible coatings with entrapped nanoceria particles, RICCCE 20 - 20th Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, Poiana Brasov, Romania, 6-9 Septembrie, 2017, prezentare orala. 
  10. Pirvu C., Popescu S., Dumitriu C., Bioinspired modification of nanostructured titanium surface for a better interaction with biological environment, RICCCE 20 - 20th Romanian International Conference on Chemistry and Chemical Engineering, Poiana Brasov, Romania, 6-9 Septembrie, 2017, poster.

Participari la reuniuni stiintifice nationale:

1. Sesiunea de comunicari studentesti, Facultatea de Inginerie Medicala, UPB - Mai 2017 - Premiul II - Zarif Maria- Modificarea energiei de suprafata a materialelor implantabile de Ti/TiO2 prin dopare cu CeO2.

 

 

 

 

 

 

 

 

Pagină actualizată la 29 Septembrie 2017.