Wydział Chemiczny RCH

Tytuł: Synteza, badanie właściwości i modelowanie numeryczne piezoelektrycznych materiałów polimerowych w kierunku oceny możliwości zastosowania w procesie regeneracji tkanek

Założenia projektu:

Konieczność regeneracji naczyń krwionośnych pojawia się zarówno w przypadku wad wrodzonych, chorób sercowo-naczyniowych, a także wypadków, którym towarzyszy krwotok. W takich przypadkach konieczne jest wykonanie zespolenia naczyń krwionośnych. Jeżeli stan naczyń jest zły, do procesu zespalania wykorzystuje się pomocnicze rusztowanie naczyniowe. Obecnie w tym celu najczęściej wykorzystywane są protezy metalowe lub z poli(tereftalanu etylenu), które są implantami permanentnymi, tj. pozostają w organizmie do końca życia [1]. Prowadzi to do ryzyka pojawienia się niepożądanych zdarzeń po zakończeniu procesu gojenia, kiedy proteza jest już niepotrzebna. W związku z tym trwają prace nad opracowaniem rusztowań naczyniowych, które przyspieszyłyby proces regeneracji naczyń krwionośnych, a następnie uległyby biodegradacji i wchłonięciu przez organizm po zakończeniu procesu odbudowy naczynia [2].

Stymulacja elektryczna jest znanym sposobem przyspieszenia regeneracji tkanek. Jednak w przypadku naczyń krwionośnych jest ona trudna do przeprowadzenia, wymaga bowiem implantacji wielu elementów: źródła zasilania, przewodów, elektrody do stymulacji i układu sterującego sygnałem elektrycznym. Interesującą alternatywą jest zastosowanie materiałów piezoelektrycznych, które są w stanie generować ładunki elektryczne w wyniku stymulacji mechanicznej, np. w czasie normalnego funkcjonowania organizmu. Stosując materiały piezoelektryczne, można wykorzystać ruch leczonych tkanek (np. wywołany pulsacyjnym przepływem krwi) do generacji ładunków elektrycznych in situ. Jednym z takich materiałów jest kopolimer fluorku poli(winylidenowego) z tetrafluoroetylenem (PVDF-TrFE). Jego połączenie z poli(kwasem mlekowym) (PLA), który charakteryzuje się biokompatybilnością oraz biodegradowalnością, pozwoli na otrzymanie materiału o pożądanych właściwościach piezoelektrycznych i biologicznych [3].

Obecnie coraz częściej wykorzystuje się metody symulacji komputerowych jako narzędzie wspomagania prac inżynierskich. Są one z powodzeniem wykorzystywane są w bioinżynierii do symulacji m.in. przepływu krwi, projektowania sztucznych narządów (np. zastawek serca), protez czy urządzeń medycznych. Wykorzystanie symulacji komputerowych może również służyć do przeprowadzania wirtualnych eksperymentów lub symulacji planowanych zabiegów, które dadzą odpowiedzi w zakresie skuteczności proponowanej terapii. Pozwalają w ten sposób testować wiele rozwiązań bez konieczności wcześniejszej produkcji, co ostatecznie wpływa na zmniejszenie całkowitego kosztu oraz skróceniu czasu powstania końcowego produktu.

Cele projektu:

Celem proponowanego projektu była synteza materiału piezoelektrycznego, a następnie sprawdzenie możliwości generowania przez niego efektu piezoelektrycznego w kierunku oceny możliwości zastosowania w procesie regeneracji tkanek.

Osiągnięte rezultaty:

- Zdobycie wiedzy o zjawisku piezoelektrycznych oraz o materiałach polimerowych wykazujących właściwości piezoelektryczne, które mogą mieć zastosowanie w bioinżynierii i/lub medycynie.

- Zdobycie wiedzy i praktycznych umiejętności w zakresie syntezy materiałów polimerowych,

- Zdobycie wiedzy i praktycznych umiejętności w zakresie budowy modeli numerycznych i prowadzeniu symulacji komputerowych przy użyciu oprogramowania ANSYS Fluent.

- Zdobycie wiedzy i praktycznych umiejętności w zakresie analizy uzyskanych wyników pomiarów.

Zespół projektowy:

Barbara Guzdek

Jagoda Tylisz

Dominik Matyszok

Zofia Zakrzewska

Beniamin Kopiec

Dr hab. inż. Katarzyna Krukiewicz, prof. PŚ

dr hab. inż. Ziemowit Ostrowski, prof. PŚ

dr inż. Krzysztof Kozieł

Literatura

[1]      D. Wang, Y. Xu, Q. Li, L.S. Turng, Artificial Small-Diameter Blood Vessels: Materials, Fabrication, Surface Modification, Mechanical Properties, and Bioactive Functionalities, J. Mater. Chem. B. 8 (2020) 1801. doi:10.1039/C9TB01849B.

[2]      M.J. Łos, S. Panigrahi, K. Sielatycka, C. Grillon, Successful biomaterial-based artificial organ-updates on artificial blood vessels, in: Stem Cells Biomater. Regen. Med., Academic Press, 2018: pp. 203–222. doi:10.1016/B978-0-12-812258-7.00013-7.

[3]      A. Smola, P. Dobrzynski, M. Cristea, J. Kasperczyk, M. Sobota, K. Gebarowska, H. Janeczek, Bioresorbable terpolymers based on L-lactide, glycolide and trimethylene carbonate with shape memory behaviour, Polym. Chem. 5 (2014) 2442–2452. doi:10.1039/C3PY01557B.