Temat projektu: Optymalizacja parametrów procesu mikro-łukowego utleniania plazmowego celem wbudowywania ceramicznych dodatków antybakteryjnych w powłokę wytworzoną na powierzchni technicznie czystego tytanu

Konkurs: SONATA 16

Projekt badawczy nr UMO-2020/39/D/ST8/01783

Kierownik projektu: Dr inż. Łukasz Maj

Powłoki antybakteryjne wytwarzane na powierzchni implantów stomatologicznych stanowią ważną grupę materiałów stosowanych w celu ograniczenia szkodliwego wpływu kolonii bakteryjnych na organizm człowieka. Istnieje wiele sposobów wytwarzania powłok przeciwdrobnoustrojowych, a za jedną z najbardziej obiecujących metod można uznać chemiczną obróbkę powierzchni poprzez utlenianie mikro-łukowe (MAO), pozwalające na wprowadzenie szerokiej gamy dodatków do materiału powłoki.

Prowadzone dotychczas badania miały na celu wprowadzenie do powłoki MAO metalicznych dodatków antybakteryjnych, takich jak Ag, Cu czy Zn. Ze względu na potencjalny szkodliwy wpływ tych pierwiastków w wyższych stężeniach na organizm ludzki, wciąż poszukuje się bardziej neutralnych dodatków. Dlatego, dodatki ceramiczne wzbudziły duże zainteresowanie, nawet jeśli uzyskany efekt antybakteryjny jest znacznie słabszy. W literaturze brakuje danych obejmujących kompleksową analizę mikrostruktury i kluczowych właściwości mechanicznych (adhezja i naprężenia szczątkowe) powłok MAO z ceramicznymi dodatkami antybakteryjnymi. Głównym celem proponowanego projektu jest opracowanie w pełni kontrolowanego procesu wbudowywania ceramicznych dodatków antybakteryjnych, takich jak ZrO2, ZnO i CeO2 do powłoki MAO wytwarzanej na powierzchni technicznie czystego tytanu poddanego wyciskaniu hydrostatycznemu i zaawansowane badania mikrostruktury powłok oraz ich właściwości mechanicznych.

Proces wytwarzania powłok MAO będzie prowadzony w zakresie wysokonapięciowym z jednoczesną kontrolą innych parametrów elektrycznych. Szczegółowa charakterystyka mikrostruktury wytworzonych powłok antybakteryjnych MAO zostanie przeprowadzona za pomocą skaningowej (SEM) i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), poparta analizą składu fazowego i chemicznego. Przeprowadzone zostaną testy zarysowania w celu określenia wpływu rodzaju i stężenia dodatku antybakteryjnego na adhezję powłoki do podłoża. Pomiary naprężeń własnych zostaną podzielone na wyznaczanie naprężeń pierwszego rzędu zmodyfikowaną metodą sin2Ψ (przeprowadzoną za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego) oraz drugiego rzędu poprzez analizę przesunięcia linii Kikuchi (na podstawie dyfrakcji elektronowej CBED uzyskanej w mikroskopie TEM).

Innowacyjne podejście proponowanego projektu opiera się na szczegółowym opisie mechanizmów procesu wbudowywania ceramicznych dodatków antybakteryjnych, takich jak ZrO2, ZnO i CeO2 do powłoki MAO wytwarzanej na powierzchni technicznie czystego tytanu poddanego odkształceniu plastycznemu. Tak zaawansowane badania mikrostruktury i właściwości mechanicznych powłok antybakteryjnych są unikalne dla tego typu materiałów i pozwolą na lepszą kontrolę procesu MAO. Ponadto, po raz pierwszy zostanie przedstawiony wpływ silnej anizotropii technicznie czystego tytanu poddanego wyciskaniu hydrostatycznemu na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne wytworzonej powłoki. Badania zaproponowane w ramach tego projektu powinny pozwolić na wyjaśnienie kluczowych właściwości powłok MAO z ceramicznymi dodatkami antybakteryjnymi. Może to być podstawą do opracowania innowacyjnych implantów stomatologicznych spełniających wszystkie niezbędne wymagania: biokompatybilność, wysokie właściwości mechaniczne i antybakteryjne.

Wyniki pozwolą na uzyskanie pełnej kontroli nad procesem MAO celem wytwarzania powłok antybakteryjnych, mających duże znaczenie dla implantologii stomatologicznej pod kątem zapobiegania potencjalnym infekcjom.