PRODUS NOU FABRICAT PRIN IMPRIMARE 3D PE BAZĂ DE EXTRUDARE DIN BIODEȘEURI MARINE

Program 2 PN III: Creșterea competitivității economiei românești prin cercetare, dezvoltare și inovare
Subprogram 2.1: Competitivitate prin cercetare, dezvoltare și inovare
Tip proiect: Proiect experimental – demonstrativ
Acronim: 3D BIOPRO
Contract 499PED / 2020
Unitate finanțare: UEFISCDI ROMANIA

Partners

INSTITUTUL NATIONAL DE C-D PENTRU METALE NEFEROASA ȘI RARE – IMNR, Pantelimon – Coordonator
Bdul Biruintei 102, 077145, Pantelimon, Ilfov, Romania
Tel: +40 213 522 048 / 100;    Fax: +40 213 522 049;    www.imnr.ro

UNIVERSITATEA DIN CRAIOVA – FACULTATEA DE MECHANICĂ, Craiova – Partener
Calea Bucuresti 107, 200512, Craiova, Dolj
Tel: +40 251 543 739  Fax: +40 251 416 630;  http://mecanica.ucv.ro

INSTITUTUL NATIONAL DE C-D MEDICO-MILITARĂ “CANTACUZINO”, București – Partner
Splaiul Independenței 103, 050096, Sector 5, București
Tel: +40 213 069 100;  Fax: +40 213 069 307; www.cantacuzino.mapn.ro

Obiectivul proiectului este de a proiecta și dezvolta un produse 3D pe bază de hidroxiapatită nanostructurată (HAp) din surse naturale, cu proprietăți biomecanice îmbunătățite și porozitate controlată, pentru potențiale aplicații în reconstrucția osoasă.

Obiective specifice

1. Realizarea hidroxiapatitei nanostructurate din surse naturale (cochilii de melci de pe coasta Mării Negre), pentru utilizarea ulterioară în tehnica de fabricație aditivă;
2. Fabricarea unui model experimental bazat pe produse 3D de hidroxiapatită.
   După cunoștințele noastre, această metodologie de imprimare 3D, bazată pe propriile materiale sintetizate, este unică la nivel național;
3. Evaluarea biofuncțională a noului produs 3D:
   a) Evaluarea proprietăților (bio)mecanice ale produselor 3D;
   b) Teste preliminare in vitro privind biocompatibilitatea și potențialul inflamator al materialelor 2D pe baza de HAp nanostructurata;
   c) Teste in vitro privind biocompatibilitatea și potențialul inflamator al materialelor 3D pe baza de HAp nanostructurata;
   d) Studii comparative privind comportamentul in vitro al modelului experimental propus bazat pe produse 3D HAp versus structura osoasă
       naturală sau „standard de aur”.
4. Diseminarea și schimbul de cunoștințe;
5. Strategia pentru exploatarea ulterioară a modelului experimental de laborator (grefă osoasa pe bază de hidroxiapatită 3D nanostructurată din surse naturale) dincolo de durata proiectului.

Rezultate așteptate

• materiale HAp nanostructurate obținute prin proiectarea experimentelor și sinteză hidrotermală; ;
• aplicații specifice produselor 3D în ingineria țesuturilor osoase vor fi definite pe baza proprietăților (bio)mecanice;
• 1 material 3D competitiv fabricat prin integrarea tehnicilor avansate de sinteza și procesare (sinteză hidrotermală urmată de fabricație aditivă);
• 2 lucrări ISI în reviste cu factor de impact mare;
• 1 workshop exploratoriu organizat pentru a atrage părțile interesate.

Contact

Dr. Laura Mădălina CURSARU;  Director project 3D BIOPRO
Tel: +40 21 352 20 48 / 132,  e-mail: mpopescu@imnr.ro

---

ETAPA I

PROIECTAREA ȘI FABRICAREA HIDROXIAPATITEI NANOSTRUCTURATE DIN SURSE NATURALE – partea 1

Obiectivul Etapei 1 a constat in pregătirea tehnică și logistică a proiectului.

REZULTATE
Studiu privind prepararea hidroxiapatitei din surse naturale si principalele caracteristici ale acesteia (structura, morfologie, biocompatibilitate) in vederea obținerii unor structuri 3D cu proprietăți fizice și biomecanice controlate.

---

ETAPA II

PROIECTAREA ȘI FABRICAREA HIDROXIAPATITEI NANOSTRUCTURATE DIN SURSE NATURALE – partea 2
MODEL EXPERIMENTAL AL UNUI PRODUS 3D PE BAZA DE HAp NANOSTRUCTURAT DIN COCHILII DE MELCI – partea 1

Obiectivul Etapei 2 a constat in producerea hidroxiapatitei nanostructurate din surse naturale (cochilii de melci de pe coasta Mării Negre), pentru utilizarea ulterioară în tehnica de fabricare aditivă, precum si in fabricarea unor produse 3D de hidroxiapatită cu scopul realizării modelului experimental.

REZULTATE

Epruvete pe bază de cochilii măcinate de Rapana Thomasiana supuse încercării la:
a) compresiune; b) încovoiere

loturi de test pe bază de hidroxiapatită sub formă de pulbere din surse naturale (cochilii de Rapana Thomasiana)

Distribuția dimensiunilor de particule a unei pulberi HAp sintetizata hidrotermal din cochilii de Rapana Thomasiana

 

Imagine SEM a unei pulberi HAp sintetizată hidrotermal din cochilii de Rapana Thomasiana

loturi de test pe bază de hidroxiapatită sub formă de structuri tridimensionale din surse naturale (HAp 3D)

 
Exemple de structuri 3D din HAp obținute prin fabricare 3D bazata pe extrudare

 

Imagine SEM a unei structuri 3D din HAp obținute prin fabricare 3D bazată pe extrudare

---

ETAPA III

MODEL EXPERIMENTAL AL UNUI PRODUS 3D PE BAZA DE HAp NANOSTRUCTURAT DIN COCHILII DE MELCI – partea 2.
STRATEGIE PENTRU EXPLOATAREA ULTERIOARA A MODELULUI EXPERIMENTAL DE LABORATOR (GREFĂ OSOASĂ PE
BAZĂ DE HIDROXIAPATITĂ 3D NANOSTRUCTURATĂ DIN SURSE NATURALE) DINCOLO DE DURATA PROIECTULUI.

Obiectivul Etapei 3 a constat in realizarea (finalizarea) unui model experimental 3D pe bază de HAp nanostructurat din cochilii de melci pentru potențiale aplicații medicale (ca grefă osoasă)..

REZULTATE

Model experimental 3D:

Exemple de structuri 3D obținute prin tehnica de printare 3D sub formă de paralelipiped cu dimensiunile 20x20x5 mm și sub formă de cilindru cu dimensiunile 20 mm diametru și 14 mm înălțime

În această etapă a fost realizat modelul experimental al produsului HAp 3D prin fabricare aditivă bazată pe extrudare. Compoziția pastelor utilizate la fabricarea 3D a fost optimizată astfel încât corpurile obținute să fie stabile în apă. S-au fabricat 2 tipuri de structuri 3D:

1. sub formă de paralelipiped cu dimensiunile 20x20x5 mm;
2. sub formă de cilindru cu dimensiunile 20 mm diametru și 14 mm înălțime.

Structurile 3D obținute au fost sinterizate la 1200°C/2h, 1300°C/2h, respectiv 1400°C/2h și transmise partenerilor pentru caracterizări biomecanice și teste in vitro. Caracterizarea biomecanică a arătat faptul că materialul nesinterizat este mai elastic, dar opune o rezistență mecanică mai mică, în timp ce proba sinterizată la 1300°C/2h, a prezentat cea mai ridicată rezistență mecanică.

Au fost testate in vitro 2 serii de modele experimentale 3D:

• Seria I – reprezentată de 12 modele experimentale sub formă de pastile sinterizate (6 probe) și structuri 3D (6 probe 3D), la care s-au efectuat teste de citotoxicitate și proliferare celulară;
• Seria II – reprezentată de 5 modele experimentale 3D, la care s-au efectuat teste de citotoxicitate și activitate antitumorală.

Efectul citotoxic al tuturor modelelor experimentale testate este redus, cu foarte mici diferențe în funcție de dimensiunile acestora; modelele experimentale pătrate (printate 3D) au prezentat rezultate mai bune; proliferarea osteoblastelor are loc pe toate cele 12 modele. O proliferare mai bună a fost observată pentru osteoblastele crescute pe modelele experimentale pătrate (printate 3D). De asemenea, cele 5 modele experimentale din seria II au manifestat activitate antitumorală prin inhibarea creșterii celulare de osteosarcom. Rezultatele au fost diseminate prin publicații și conferințe.

---

REZULTATE OBȚINUTE ÎN CADRUL PROIECTULUI

Hidroxiapatita este un mineral fosfat de calciu, a cărui formulă chimică este Ca10(PO4)6(OH)2. De asemenea, hidroxiapatita este principala componentă anorganică a oaselor și a smalțului dentar, predominant prezentă sub formă cristalină. Deci, este un element vital în țesuturile osoase ale ființelor vii. Marea sa stabilitate împotriva altor fosfați de calciu îi permite să reziste condițiilor fiziologice, conferind oaselor duritatea lor caracteristică. Hidroxiapatita poate fi sintetizată în laborator din compuși chimici sintetici sau poate fi extrasă din surse naturale cum ar fi cochilii de melci, scoici, os bovin, coji de ouă, oase de pește, corali. Ea are o structură similară cu osul cortical şi spongios.

În acest proiect, hidroxiapatita a fost obținută prin metode chimice de sinteză din cochilii de melci (Rapana Thomasiana) ce se găsesc pe litoralul Mării Negre. Ulterior, pentru a crea un material poros pentru reconstrucție osoasă, cu o structură similară cu cea a osului spongios natural, s-a utilizat o metodă de printare 3D (fabricare aditivă bazată pe extrudare) care poate crea un material tridimensional de tip scaffold cu formă și dimensiuni controlate.

Flux tehnologic pentru obținerea structurilor HAp 3D pornind de la cochilii de Rapana Thomasiana

Pulberea de hidroxiapatită obținută din cochilii de melci a fost amestecată cu lianți comerciali, rezultând o pastă de consistența pastei de dinți, care se depune cu o imprimantă 3D, prin intermediul unei duze, în straturi succesive, formându-se astfel o structură 3D poroasă. Porozitatea este dată atât de unghiul sub care sunt depuse succesiv pastele sub forma unor fire de diametrul duzei, cât și de distanța dintre firele depuse succesiv.

Fluxul tehnologic de obținere a structurilor 3D

S-au obținut structuri 3D de hidroxiapatită, care nu sunt toxice, ajută la creșterea celulelor din țesutul osos natural (osteoblaste) și pot inhiba creșterea celulelor tumorale (osteosarcom).

---