3D-drukowane implanty kości – badania zależności pomiędzy strukturą chemiczną i przestrzenną implantów, a ich właściwościami powierzchniowymi, mechanicznymi oraz osteogennymi i przeciwnowotworowymi.

Cele/hipotezy projektu badawczego
Do tej pory nie opracowano bioaktywnych rusztowań kostnych wykazujących aktywność fototermiczną/przeciwnowotworową i osteogenną. W związku z tym istnieje ogromna potrzeba opracowania i przetestowania dwufunkcyjnego rusztowania zdolnego do niszczenia komórek nowotworowych i naprawy dużych ubytków kostnych. Cele naukowe niniejszego projektu badawczego to: (1) wykazanie związku przyczynowo-skutkowego między składem i strukturą porowatych, dwufunkcyjnych, biomimetycznych rusztowań kostnych drukowanych w technologii 3D (P3BS) a ich zdolnością do formowania/naśladowania kości i wspomagania leczenia raka, oraz (2) wypełnienie istniejącej luki w badaniach adsorpcji przeszczepów kostnych na granicy faz ciało stałe-ciecz
w środowisku fizjologicznym. Osiągnięcie powyższych celów będzie możliwe poprzez realizację następujących zadań badawczych:
1. poszukiwanie optymalnych materiałów/mieszanin, które można wykorzystać do powtarzalnego druku 3D P3BS, które będą naśladować ECM pod względem przyczepności, proliferacji i różnicowania komórek (tworząc tkankę kostną), będą miały właściwości terapeutyczne i będą odporne na warunki użytkowania, 2. opracowanie procesu druku 3D w celu wytwarzania powtarzalnego P3BS o precyzyjnym rozmiarze porów, zdefiniowanej geometrii i wysokim stopniu usieciowania porów, 3. określenie wpływu nanostruktur (NS) na właściwości drukowanego w 3D P3BS pod względem jednorodności rozkładu NS w matrycy szkieletowej, wpływu zawartości wypełniacza oraz parametrów procesu druku 3D, takich jak grubość warstwy, współczynnik wypełnienia, wzór wypełnienia itp., 4. biologiczna ocena P3BS, 5. charakterystyka powierzchni i pomiar P3BS.
Metodyka projektu badawczego
P3BS są produkowane na Wydziale Odlewnictwa AGH. Metaliczne nanostruktury funkcjonalizowane powierzchniowo, które służą jako modyfikatory trójwymiarowych rusztowań kostnych, są wytwarzane w Katedrze Chemii i Korozji Metali na Wydziale Odlewnictwa AGH, która posiada doświadczenie w syntezie chemicznej, elektrochemicznej i „zielonej chemii” oraz funkcjonalizacji powierzchni metali i tlenków metali nanostruktur oraz charakteryzacji powierzchni metodami spektroskopowymi. Charakterystyka powierzchni P3BS (po przygotowaniu i ekspozycji na różne czynniki) jest przeprowadzana metodami TEM/SEMEDS, RS, IR, XRD i/lub XPS. Adsorpcję monitoruje się za pomocą spektroskopii SERS/TERS i/lub SEIRA. Pomiar zużycia 3BBS (po wytworzeniu i po ekspozycji na różne czynniki metodami grawimetrycznymi, objętościowymi i mechanicznymi. Biologiczna ocena P3BS pod kątem zdolności do jednorodnej dystrybucji komórek imitujących ECM oraz możliwości terapeutycznych (jako nośników leków przeciwnowotworowych i/lub cząstek o właściwościach fototermicznych) polegających na apoptozie komórek nowotworowych, przeprowadzona w Zakładzie Neurobiologii Instytutu Farmakologii im. Maja PAN. Zespół badawczy zaangażowany w ten projekt badawczy jest dobrze przygotowany do realizacji badań proponowanych w tym projekcie badawczym (około 200 opublikowanych artykułów w czasopismach międzynarodowych z listy JCR o łącznej liczbie IF ponad 600).
Przewidywany wpływ badań na rozwój nauki, cywilizacji i społeczeństwa
Uzyskane wyniki mają ogromne znaczenie dla obszaru badań i dyscypliny naukowej, ponieważ pogłębią wiedzę na temat (1) optymalnych materiałów do druku 3D powtarzalnych P3BS, które mogą naśladować macierz zewnątrzkomórkową i obciążenia, (2) stany zapalne, wywołane zastosowaniem określonego (bio)materiału i produktów jego degradacji, (3) wpływ jednorodności rozkładu NS w matrycy, wpływ „zawartości wypełniacza” i „parametrów procesu drukowania 3D” na właściwości P3BS oraz (4) procesy adhezji i adsorpcji. Kontekst ekonomiczny i społeczny tych badań jest również istotny, ponieważ umożliwi on w przyszłości zaprojektowanie implantu dzwierciedlającego kość każdego pacjenta w jej unikalnej anatomii, morfologii, fizjologii i składzie. Prowadzenie tych interdyscyplinarnych badań połączy krakowskie środowisko naukowe z zagranicznymi jednostkami badawczymi i podniesie poziom wiedzy młodych badaczy w dziedzinie nowoczesnych metod chemii, biologii i inżynierii materiałowej (spodziewane są 2 rozprawy doktorskie i 1 praca magisterska). Wyniki tego projektu badawczego zostaną opublikowane w czasopismach i zaprezentowane na prestiżowych konferencjach krajowych i międzynarodowych. Planowane jest również zgłoszenie patentowe lub patentowe.