Nume proiect: Noua generatie de implanturi ortopedice bazate pe noi bioaliaje de Ti cu invelisuri biomimetice hibride

Acronim: ORTHOBIOMIM

Nr. de contract: 239/2014

Cod proiect: PN-II-PT-PCCA-2013-4-1994

Denumirea Programului: PARTENERIATE IN DOMENII PRIORITARE

Autoritatea contractanta: Unitatea Executiva pentru Finantarea Invatamantului Superior, a Cercetarii, Dezvoltarii si Inovarii (UEFISCDI)

Sursa de finantare: Bugetul de stat

Consortiul:

CO - Institutul National de Fizica laserilor Plasmei si Radiatiilor (INFLPR) (www.inflpr.ro), grup PPAM

P1  - R&D Consultanta și Servicii SRL (RD) (www.rd-consultanta.ro)

P2  - Universitea POLITEHNICA din București -Centrul de Cercetare și Expertizare Materiale Speciale (UPB-CEMS) (www.upb-cemes.ro)

P3  - Universitatea din București - Departamentul de Biochimie și Biologie Moleculara (UBDBBM) (www.dbbm.bio.uni.ro)

P4 - Institutul de Biochimie al Academiei Romane (IBAR) (www.biochim.ro)

P5 - Tehnomed Impex CO S.A. (Teh) (www.tehnomedimplant.ro)

 

Rezultate preconizate:

1. Specificatii tehnice ale materialelor, procedurilor și tehnologiilor.
2. Proiectarea compoziției aliajului deTiNbTa și elaborarea tehnologiei de sinteza.
3. Tehnologia de procesare termo-mecanica, caracterizarea mecanica și structurală a noului bioaliaj.
4. Proiectarea și experimentarea tehnologiilor de obținere a filmelor subțiri biomimetice hibride prin tehnici laser (MAPLE) pentru biofuncționalizarea aliajului de TiNbTa.
5. Evaluarea răspunsului biologic produs de aliajul TiTaNb functionalizat cu învelișuri biomimetice hibride.
6. Proiectarea și experimentarea tehnologiei de executie a implanturilor ortopedice din noul aliaj.
7. Demonstrarea și validarea tehnologiilor elaborate.
8. Diseminarea și valorificarea rezultatelor proiectului.
 

Etapa I (2014) - Proiectarea compozitiei biomaterialului metalic cu proprietati de biocompatibilitate imbunatatita si a tehnologiei sale de sinteza 31/12/2014 (click pentru raport)

Valoare etapa I: 123.000,00
lei

Rezultate obtinute:
-Cerinte pentru biomaterialele utilizate la executia de dispozitive medicale implantabile
-Compozitie aliaj selectata.
-Model experimental de sinteza aliaj.
-Parametrii tehnologici privind sinteza aliajului. -Probe de aliaj
-Parametrii tehnologici privind procesarea prin MAPLE a compusilor HA, Lf, PCL copolimer.
-Pagina web a proiectului

1. OBIECTIVE SPECIFICE ALE PROIECTULUI IN ANUL 2014

Partenerul R&D Consultanta si Servicii (RD) si coordonatorul INFLPR participa in cadrul proiectul “Noua generatie de implanturi ortopedice bazate pe noi bioaliaje de Ti cu învelisuri biomimetice hibride”- ORTHOBIOMIM cu activitati vizand sinteza unui nou biomaterial, cu biocompatibilitate ridicata si caracteristici fizico - mecanice adecvate pentru utilizarea la executia implanturilor ortopedice.

Obiectivele proiectului pentru etapa I din anul 2014 sunt:
- stabilirea caracteristicilor necesare biomaterialului pentru implanturi ortopedice;
- selectarea compozitiei biomaterialului metalic;
- stabilirea metodei de elaborare;
- proiectarea si testarea tehnologiei de laborator privind sinteza aliajului.
- Adaptarea sistemului experimental MAPLE la cerintele proiectului (sistem multitinta, sistem baleiere fascicul)
- Stabilirea de parametri tehnologici privind procesarea prin MAPLE a compusilor HA, Lf, copolimer.
- Pagina web a proiectului

 

Etapa 2 (2015) - Sinteza si caracterizarea aliajului in stare turnata. Proiectarea si initierea experimentarii tehnologiei de prelucrare termomecanica a aliajului. Proiectarea si experimentarea tehnologiilor de obtinere a acoperirilor biomimetice si hibride
 
Valoare etapa 2: 281.839,00 (din care co-finantare 35.700,00)
 
Rezultate preconizate:
 
Experimentarea tehnologiei de obtinere aliajului in stare turnata
Caracterizarea structurala si testarea rezistentei la coroziune a aliajelor in stare turnata
Testarea preliminara a biocompatibilitatii aliajului
Initiere proiectare tehnologie de deformare termomecanica a aliajului        
Proiectarea si experimentarea tehnologiei de obtinere a invelisurilor biomimetice si hibride prin tehnica laserilor
Caracterizarea structurala si morfologica a acoperirilor
Evaluarea potentialului anti-inflamator al probelor de aliaj acoperite cu invelisuri biomimetice
Proiectarea modelului de implant ortopedic
Initiere experimentarea tehnologiei de executie a implantului ortopedic       
 
Diseminarea rezultatelor stiintifice în cadrul etapei II/2015 a proiectului
 
1. Prezentari orale/invitate:
 
1.   " Laser-Induced Forward Transfer: An approach to single-step multi-functional patterns for biological and sensor applications”-Dinca Valentina,  3RD FAST-DOT SUMMER SCHOOL“PHOTONICS MEETS BIOLOGY”28 September -2 October 2015, Anissaras, Crete, Greece-lectie invitata
 
2.      ”Fabrication and characterization of poly(vinyl alcohol)/poly(ethylene glycol) thin films for biological applications”; Ionut Tirca, N. L. Dumitrescu, V. Marascu, A .Bonciu, S. Brajnicov, M. Dinescu, V. Dinca; ; The 8^th International Conference on Advanced Materials, ROCAM 17-10 iulie 2015 Bucuresti, Romania; prezentare orala12:00-12:15, pag 79
 
3.      ”Tunability of the surface morphology of Polyethyene glycol Polycaprolactone methyl ether copolymer coatings obtained by Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation”  Simona Brajnicov, L. Rusen, M. Filipescu, M. Dinescu and V. Dinca; Sesiunea Știintifică a Facultații de Fizică, 19 iunie 2015, București, Romania, prezentare orala 11:30 - 11:45, AbstractID=2146957231
 
4.      “The study of different solvents on the chemical and morphological characteristics of Hydroxyapatite coatings deposited by MAPLE”, Nicoleta. L. Dumitrescu, I. Tirca, A. Bonciu, V. Marascu, S. Brajnicov, L. Rusen, M. Dinescu, V. Dinca, Sesiunea Știintifică a Facultații de Fizică, 19 iunie 2015, București, Romania, prezentare orala, AbstractID=2146957217 , 14:15 - 14:30
 
5.      “Curcumin loaded biodegradable copolymer coatings obtained by MAPLE technique”, Ionut Tirca, V. Marascu, N. L. Dumitrescu, A. Bonciu, S. Brajnicov, V. Ion, M. Dinescu, V. Dinca, Sesiunea Știintifică a Facultații de Fizică, 19 iunie 2015, București, Romania, prezentare orala,  AbstractID=2146957230
 
 
6.      "Micro / nano nfemtosecond laser enginereed platforms for MSC's stem cells studies in vitro”, Laurentiu Rusen, L.E. Sima, I.Anghel, A. Bonciu, M. Zamfirescu, V. Dinca -ROMOPTO 2015 11th International Conference on Optics "Micro- to Nano-Photonics IV" September 1-4, 2015 Bucharest, Romania – presentare orala,  II.O.3_ROMOPTO2015
 
7.      “Laser based methods for functional surface engineering” Valentina Dinca, Livia E. Sima , Madalina Icriverzi , Laurentiu Rusen , Paula Florian, Maria Dinescu , Anca Roseanu -RSBMB Anniversary Conference: "RSBMB - 25 years of promoting molecular life sciences in Romania", 17-18 septembrie 2015, Bucuresti, Vol.abstr. pg. 100
 
 
2. Postere
 
  1. “In vitro bio-functional performance of lactoferrin embedded composite coatings obtained by matrix assisted pulsed laser evaporation”. Icriverzi M, Banita J, Trif M, Dinca V, Roseanu A- RSBMB Anniversary Conference: "RSBMB - 25 years of promoting molecular life sciences in Romania", 17-18 septembrie 2015, Bucuresti, vol.abstr. pg. 103
 
  1. "Smart hybrid biomimetic coated titanium bioalloy in vitro cellular respose”, Icriverzi Madalina, Sima Livia,  Dumitrescu Nicoleta, Marascu Valentina, Dinca Valentina,  Roseanu Anca, Simpozionul international „Prioritatile chimiei pentru o dezvoltare durabila”, 29-30 octombrie 2015, Bucuresti, vol.abstr.pg.120
 
  1. In vitro response of THP-1 derived macrophages on lactoferin-hydroxyapatite coated materials”, Madalina Icriverzi, Livia Sima, Valentina Dinca, Anca Roseanu- A 45-a Conferinta Anuala de imunologie cu participare internationala, 22-24 octombrie, 2015, Bucuresti, vol.abstr.pg.40
 
 
  1. “Micro-/nano-engineering surfaces using laser based methods for directing cell behavior at the cell-biomaterial interface in vitro” -V. Dinca, L.E. Sima, L. Rusen, A. Roseanu, M. Dinescu, Fourth International Conference on Multifunctional,  Hybrid and Nanomaterials (Hybrid Materials 2015), Sitges, Spain
 
  1. ”In vitro evaluation of poly(ethylene glycol)-block-poly(ε−caprolactone) methyl ether copolymer coating effects on cells adhesion and proliferation” , V. Dinca, P. Neacsu, A. Cimpean, L. Rusen, S. Brajnicov, C. Luculescu, M. Dinescu; E-MRS Spring Meeting; 11-15 mai 2015, Lille , Franta; Poster CCPI 56;
 
  1. ”Atomic force microscopy study of Polyethyene glycol Polycaprolactone methyl ether copolymer coatings obtained by Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation”, S. Brajnicov, L. Rusen, M. Filipescu, N. L. Dumitrescu, I. Tirca, M. Dinescu and V. Dinca; The 8^th International Conference on Advanced Materials, ROCAM 17-10 iulie 2015 Bucuresti, Romania, Poster P935, pag 106;
 
  1. ”Study of the solvents influence on the morphological and chemical characteristics of Hydroxyapatite thin films deposited by MAPLE”, N. L. Dumitrescu, I. Tirca , A. Bonciu  , V. Marascu ,S. Brajnicov; M. Dinescu and V. Dinca; The 8^th International Conference on Advanced Materials, ROCAM 17-10 iulie 2015 Bucuresti, Romania; Poster P942, pag 108;
 
  1. “Human mesenchymal stem cells interaction with nano and microtextured surfaces“ Dr Valentina Dinca, National Institute for Lasers, Plasma & Radiation Physics, Romania , COLA , Cairnes, Australia,2015- P-183
 
9.      Characteristics of ultrafine/nanocrystalline Ti-20Nb-5Ta alloy processed by severe plastic deformation,Doina Raducanu, Anna Nocivin, Ion Cinca, Lucia Angelescu, Nicolae Serban ,Vasile Danut Cojocaru, 6 th Int Conf.on Advanced Nanomaterials, Aveiro, Portugal, 20-22 july 2015
 
  1. Corrosion features under simulated conditions of some titanium alloys designated to oral implantology R. M. Angelescu, D. Răducanu, C. Cotruț, V. D. Cojocaru, L. Angelescu, I. Cincă,  N. Șerban, , Conference: 9th International Conference on Materials Science and Engineering – BRAMAT 2015, Location: Brasov, ROMANIA, Date: 05.03-07.03.2015
 
  1. Microstructural And Corrosion Analysis Of A Ti-Nb-Ta Biocompatible Dental Implant Alloy Vasile Dănuţ Cojocaru, Cosmin Cotruţ, Şerban Nicolae, , ICESBE 2015 : 17th International Conference on Environmental Science and Biological Engineering, London, United Kingdom, July 25 - 26, 2015
 
  1. Biological evaluation of some modern titanium alloys for dental implants,Roxana Maria Angelescu, Raluca Ion, Anişoara Cîmpean, Doina Răducanu, Mariana Lucia Angelescu, ICBE 2015: 17th International Conference on Biomedical Engineering, Barcelona, Spain, August 17 - 18, 2015   
 
 
3. Lucrari publicate in reviste de specialitate de circulaţie internaţională /indexate in alte Baze de Date Internationale - BDI specifice domeniului
 
  1. Roxana Maria Angelescu, Doina Răducanu, Vasile Dănuţ Cojocaru, Mariana Lucia Angelescu, Mihai Buţu, Ion Cinca, Ioan Dan, Microstructural and mechanical evaluation of a Ti-Nb-Ta alloy, U.P.B. Sci. Bull.,  Series B, Vol 77, Iss. 3. 2015 ISSN 1454-2331, pp 221-228.
 
  1. L.Rusen, P.Neacsu, A.Cimpean, I.Valentin, S.Brajnicov, L.N.Dumitrescu, J.Banita, V. Dinca, Maria Dinescu , In vitro evaluation of poly(ethylene glycol)-block-poly(É›-caprolactone) methyl ether copolymer coating effects on cells adhesion and proliferation”, Applied Surface Science, In press, Online 28 August 2015, doi:10.1016/j.apsusc.2015.08.214
 
  1. V.Dinca, P.Alloncle, P.Delaporte, V.Ion, L.Rusen, M.Filipescu, C.Mustaciosu, C.Luculescu, M.Dinescu , Excimer laser texturing of natural composite polymer surfaces for studying cell-to-substrate specific response, Applied Surface Science, Volume 352, 15 October 2015, Pages 82-90
 
Capitol carte: INTECH: in press Bio-Interfaces Engineering Using Laser Based Methods for Controlled Regulation of Mesenchymal Stem Cells Response in vitro, Valentina Dinca,Livia Elena Sima, Laurentiu Rusen, Thomas Lippert, Maria Dinescu and Maria Farsari.
 
 
Etapa 3 (2016) - Initiere experimente de evaluare a raspunsului biologic avansat al aliajului functionalizat cu invelisuri biomimetice hibride
 
Valoare etapa 3: 814.161,00 (din care co-finantare 112.300,00)

OBIECTIVE SPECIFICE ALE PROIECTULUI IN ANUL 2016
Obiectivele si activitatile celei de a treia etapa din cadrul proiectul “Noua generatie de implanturi ortopedice bazate pe noi bioaliaje de Ti cu invelisuri biomimetice hibride”- ORTHOBIOMIM au vizat:
- Finalizare proiectare tehnologie de deformare termomecanica a aliajului
- Experimentarea tehnologiei de laborator privind deformarea termomecanica a aliajului cercetat
- Proiectarea si experimentarea tehnologiei de obtinere a invelisurilor biomimetice si hibride prin tehnica laserilor
- Obtinerea de invelisuri biomimetice din compusi individuali si invelisuri hibride
- Testarea preliminara a biocompatibilitatii aliajului cu invelisuri
- Studii de biocompatibilitate-citotoxicitate (conform ISO 10993-5), pentru validare material acoperit Evaluarea efectului acoperirilor biomimetice hibride asupra proliferarii celulare pentru ostpoblaste
- Evaluarea potentialului anti-inflamator al probelor de aliaj acoperite cu invelisuri biomimetice fara copolimer
- Eliberarea lactoferinei umane (hLf) de pe suprafata biomaterialelor pe baza de Ti acoperite cu Lf si HA-Lf
- Caracterizarea complexa a aliajului in stare turnata
- Demonstrarea tehnologiei de sinteza si caracterizarea lotului test – transa 1
- Proiectarea tehnologiei de executie a implanturilor
- Diseminare si pagina web actualizata.

Rezultate
Prin executia activitatilor care le-au revenit, conform Planului de realizare, partenerii si coordonatorul proiectului ORTHOBIOMIM si-au atins obiectivele vizate in etapa 3 a proiectului, obtinandu-se urmatoarele rezultate:
tehnologie de laborator pentru sinteza aliajului TiNbTa; au fost produse 4 lingouri cu compozita Ti20Nb5Ta (% de masa); caracteristici material (chimice si mecanice).
- Finalizarea proiectarii tehnologiei de deformare termomecanica a aliajului si experimentarea tehnologiei de laborator privind deformarea termomecanica a aliajului cercetat
- Proiectarea si experimentarea tehnologiei de obtinere a invelisurilor biomimetice si hibride prin tehnica laserilor,
- Testarea preliminara a biocompatibilitatii aliajului cu invelisuri, efectuarea de studii de biocompatibilitate-citotoxicitate (conform ISO 10993-5), pentru validare material acoperit; precum si evaluarea efectului acoperirilor biomimetice hibride asupra proliferarii celulare pentru osteoblaste
- Evaluarea potentialului anti-inflamator al probelor de aliaj acoperite cu invelisuri biomimetice fara copolimer si studiul eliberarii lactoferinei umane (hLf) de pe suprafata biomaterialelor pe baza de Ti acoperite cu Lf si HA-Lf
- Caracterizarea complexa a aliajului in stare turnata. Din punct de vedere al caracteristicilor mecanice, varianta optima de procesare termomecanica a aliajului Ti-20Nb-5Ta (wt%) o constituie varianta in care tratamentul termic final de recristalizare se realizeaza la temperatura de 900°C, aceste observatii putand fi corelate si fiind in concordanta atat cu rezultatele obtinute in urma testelor de microduritate la care a fost supus materialul, cat si cu observatiile desprinse din analiza structurala SEM a aliajului investigat.
- Demonstrarea tehnologiei de sinteza si caracterizarea lotului test – transa 1
- Proiectarea tehnologiei de executie a implanturilor si obtinerea unui implant sub forma de placuta de reconstructie osoasa (atela, care rigidizeaza ansamblul celor doua parti ale osului fracturat si care constituie baza constructiei implantului, si surubul de fixare a osului de atela).

Diseminare

Lectii invitate:
• V. Dinca, L. E. Sima, M. Icriverzi, L. Rusen, A. Bonciu, K. Wasmer, E. C. Siringil, A.Roseanu, A.Campean, P. Hoffmann and M. Dinescu, Multiscale bone-like intelligent interfaces engineering using laser methods for steering mesenchymal stem cells behaviour in vitro, HPLA DE 2016, Promising New Laser and Optical Technologies Symposium, April 4-7, Santa Fe, USA
• V. Dinca, L. E. Sima, L. Rusen, M. Icriverzi, A. Bonciu, I.Anghel, A. Roseanu, P.Hoffmann, M.Dinescu, Materials and laser technologies for controlled bio-interfaces in tissue engineering applications -7-14 september-ICPAM 2016, Cluj, Romania
• L. Rusen, M. Icriverzi, C. Mustaciosu, V. Dinca, L. Sima, N. Mihailescu, S. Brajnicov, A. Bonciu, A. Campean, A. Roseanu, M. Dinescu -Smart Thermoresponsive Coatings Based on pNIPAM and its Derivatives Obtained by Matrix Assisted Pulsed Evaporation, HPLA DE 2016, Promising New Laser and Optical Technologies Symposium, April 4-7, Santa Fe, USA
Prezentari orale
• V. Dinca, L.E. Sima, A. Bonciu, L. Rusen, I. Iordache(Urzica), M. Dinescu , Multiscale intelligent interfaces engineering using laser methods for mesenchymal stem cells behaviour control , EMRS 2016, Smart biointerfaces for functional biomaterials Symposium, May 2-6, Lille, France - oral presentation EMRS2016 Q.5.5 - oral presentation
• M. Icriverzi, V.Dinca, L.E. Sima, L. Rusen, S. Brajnicov, V.Marascu, A.Bonciu, A. Roseanu and M.Dinescu , Inflammatory response of hybrid biomimetic coatings obtained by MAPLE , EMRS 2016-Biomimetic bioactive biomaterials - the next generation of implantable devices Symposium, May 2-6, Lille, France - oral presentation EMRS2016 S.3.5
• V. Dinca, L.E. Sima, L. Rusen, A. Bonciu, P. Hoffmann, Micro topographical surface features and gradients for influencing mesenchymal stem cells behavior for bone tissue engineering, Nanotech Washington, USA, 22-25 may-2016
• Dinca V, Rusen, A Bonciu, L.E Sima, Laser based methods for nano- and micro-engineered biomaterials for regenerative medical applications, 16 th INTERNATIONAL BALKAN WORKSHOP on APPLIED PHYSICS 7 -9 July 2016, Constanta, Romania
• L. Rusen, Livia Elena Sima, Madalina Icriverzi, N. Mihailescu, I. Anghel, A. Bonciu, S. Brajnicov, A. Cimpean, M. Dinescu, A. Roseanu and V. Dinca, In vitro behaviour of human mesenchymal stem cells on smart biointerfaces obtained by laser methods for tissue engineering applications, ICPEPA10, 28 august -2 sept 2016, Brasov, Romania

Postere:
• Simona Brajnicov, Valentin Ion, Valentina Marascu, Laurentiu Rusen, Valentina Dinca and Maria Dinescu, Characterization And Degradation Behavior Of Hybrid Coatings Obtained By Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation- 16th International Balkan Workshop on Applied Physics and Materials Science (IBWAP),7-9 July, 2016, S2 P4, page 89
• S. Brajnicov, V. Dinca, V. Marascu, L. Rusen, P. Neacsu, A. Cimpean and M. Dinescu, "Multifunctional coatings obtained by Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation", 5th Venice International School on Lasers in Materials Science - SLIMS, July 10-17, 2016, Isola di San Servolo, Venice, Italy
• S. Brajnicov, V. Marascu, L. Rusen, A. Moldovan, V. Dinca, M. Dinescu ,Copolymer PLCL-PEG-PLCL functional bio-coating obtained by Matrix Assisted Pulsed Laser Evaporation: a deposition parametric study , ICPEPA-10, 10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications, August 29 - September 2, 2016, Brasov, Romania - poster presentation poster P77
• M. Icriverzi, L. E. Sima, L. Rusen, S. Brajnicov, V. Ion, A. Bonciu, L.N. Dumitrescu, M. Dinescu, A. Cimpean, A. Roseanu, V. Dinca, "In vitro degradability and bioactivity of hybrid coatings containing Lactoferrin and Hydroxyapatite embedded in a copolymer matrix" 10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications - ICPEPA10, August 29 – September 2, 2016, Brasov, Romania, Book of Abstracts page 109
• P. Neacsu, V. Dinca, S. Brajnicov, V. Marascu, L. Rusen, L.N. Dumitrescu, M. Dinescu and A. Cimpean, "In vitro biological performance of multifunctional composite coatings", 10th International Conference on Photoexcited Processes and Applications - ICPEPA10, August 29 – September 2, 2016, Brasov, Romania, Book of Abstracts page 132
• M. Icriverzi, L.E. Sima, N. Dumitrescu, V. Marascu, A. Cimpean, V. Dinca, A. Roseanu, Biomimetic surface for controlled cellular response, BIOMATERIALS FOR HEALTHCARE: Biomaterials for Tissue and Genetic Engineering and the Role of Nanotechnology, 1st biennial conference BioMaH October 17-20, 2016 Rome, Italy, best poster
• M. Icriverzi, L.E. Sima, N. Dumitrescu, V. Marascu, R.W. Evans, A. Cimpean, V. Dinca, A. Roseanu, Macrophage response to biomimetic-coated material, PRIOCHEM -XII-th edition, October 27 - 28, 2016, Bucharest, Romania