Przejdź do treści

Uniwersytet Śląski w Katowicach

  • Polski
  • English
Instytut Inżynierii Biomedycznej

Nieniszcząca metoda określania objętości porów na powierzchni biomateriałów przeznaczonych do implantacji ortopedycznej


Kierownik projektu

mgr inż. Żaneta Garczyk

Opiekun naukowy

         dr hab. Sebastian Stach, prof. UŚ

Słowa kluczowe

Biomateriał, bioceramika, implant, nośniki leków, porowatość, objętość porów

Planowane nakłady

220 000 zł

Instytucja przyznająca

Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego

Termin realizacji projektu

16.11.2016  – 15.11.2020 

Wprowadzenie

Terapia implantacyjna związana jest z wieloma powikłaniami pooperacyjnymi. Zabiegi chirurgiczne o niskim stopniu sterylności oraz osłabienia immunologiczne operowanego miejsca są przyczyną zakażeń i trudno gojących się stanów zapalnych. Postawą w profilaktyce i leczeniu infekcji bakteryjnych jest antybiotykoterapia. Kontrolowane dostarczenie leków jest poważnym problemem farmakologicznym. Przy ogólnoustrojowym podawaniu leku długi okres rekonwalescencji pooperacyjnej oraz wysokie stężenie leków o działaniach przeciwzapalnych lub bakteriostatycznych w znacznym stopniu osłabiają organizm. Alternatywę stanowi wówczas dostarczanie leków in situ wraz z implantem. Wprowadzenie implantów wraz z antybiotykami pozwala ograniczyć tworzenie się stanów zapalnych, co odgrywa zasadniczą rolę w skracaniu czasu terapii oraz poprawianiu jej komfortu odczuwalnego dla pacjenta, a także zmniejsza koszty leczenia.

Cel naukowy projektu

W ramach projektu została opracowana metoda przeprowadzania analizy udziału objętościowego porów biomateriału przeznaczonego do implantacji ortopedycznej. Obliczona średnia objętość porów na jednostkę powierzchni umożliwia obliczenie objętości np. leku, jaka może zostać umieszczona w porach biomateriału i dostarczona do organizmu wraz z implantem. Dzięki temu lek może zostać przygotowany w odpowiedni sposób i w odpowiedniej ilości. Opracowana metoda jest nieniszcząca, dzięki czemu próbka nadaje się do dalszych zastosowań po badaniu. Metoda jest prosta, nie wymaga specjalnego przygotowania materiału do badań, a wyniki otrzymane są praktycznie natychmiast.

Opis zrealizowanych zadań

Podstawowe badania biomateriału zostały przeprowadzone w „Laboratorium Ilościowej Analizy i Modelowania Powierzchni Biomateriałów” za pomocą laserowego mikroskopu konfokalnego LEXT OLS4000. Materiał badawczy stanowiły próbki porowatego biomateriału korundowego wytworzone metodą spieniania chemicznego.
Otrzymane dane zostały poddane obróbce komputerowej za pomocą programu MountainsMap Premium firmy Digital Surf oraz procesowi analizy porów i cząstek w programie SPIP firmy Image Metrology.
Kolejne badania biomateriału zostały przeprowadzone w „Laboratorium Ilościowej Wysokorozdzielczej Tomografii Komputerowej”. Próbki biomateriału poddano pomiarom za pomocą wysokorozdzielczego skanera rentgenowskiego GE Phoenix v|tome|x.
Następnie opracowano trójwymiarowy model porów biomateriału stanowiący narzędzie do wyznaczania objętości porów. Proces tworzenia modelu składał się z trzech zasadniczych etapów. Dzięki analizie obrazów pozyskanych za pomocą mikroskopu, określono założenia dla modelu. Kolejnym etapem była implementacja. Ostatni etap to weryfikacja opracowanego modelu. Metoda modelowania została przetestowana poprzez porównanie wyników otrzymanych z wykorzystaniem modelu z danymi eksperymentalnymi uzyskanymi w wyniku mikrotomograficznych badań biomateriału. Porównując ze sobą wyniki uzyskane w obu etapach eksperymentu, stwierdzono, że zaimplementowany program generuje model o strukturze i geometrii porów zbliżonych do rzeczywistego biomateriału ceramicznego, co potwierdziło poprawność opracowanego modelu.

Wykaz prac opublikowanych w wyniku realizacji projektu

    • Analiza trójwymiarowych obrazów w badaniach topografii powierzchni materiału, Garczyk Ż., Stach S., Wróbel Z., W: Rozwój tworzyw inżynierskich i nauk o materiałach, Czyż Z., Maciąg K. (red.), Wydawnictwo Naukowe TYGIEL sp. z o.o., Lublin 2017, s. 16-29, ISBN 978-83-65598-96-7.
    • Przetwarzanie i analiza obrazu w ocenie stopnia porowatości powierzchni bioceramiki, Garczyk Ż., Stach S., Wróbel Z., W: Współczesne problemy inżynierii materiałowej oraz mechaniki, Czyż Z. (red.), Wydawnictwo Naukowe TYGIEL sp. z o.o., Lublin 2018, s. 105-115, ISBN: 978-83-65932-39-6.
    • Modelling the degree of porosity of the ceramic surface intended for implants, Stach S., Kędzia O., Garczyk Ż., Wróbel Z. Biomedical Engineering/Biomedizinische Technik, 2019, 64 (2), s. 215–223, ISSN: 0013-5585.
    • Evaluation of implant surface porosity using IT tools, Garczyk Ż., Stach S., Wróbel Z., W: The Book of Articles National Scientific Conference “Science and Young Researchers” III edition, Kępczak N., Solarczyk P. (red.), Promovendi Foundation Publishing, Łódź 2019, s. 59-66, ISBN: 978-83-952839-7-0.

Inne formy upowszechnienia wyników – udział w konferencji

    • IX Interdyscyplinarna Konferencja Naukowa TYGIEL 2017 „Interdyscyplinarność kluczem do rozwoju”, 18-19.03.2017, Lublin.
      Poster: Garczyk Żaneta, Stach Sebastian, Wróbel Zygmunt, Analiza trójwymiarowych obrazów w badaniach topografii powierzchni materiału.
    • 41. Studencka Konferencja Naukowa pt. „Innowacje w inżynierii produkcji, technologii materiałów i bezpieczeństwie”, 01.06.2017, Częstochowa.
      Prezentacja ustna: Garczyk Żaneta, Stach Sebastian, Wróbel Zygmunt, Segmentacja danych stereometrycznych w analizie topografii powierzchni powłok materiału.
    • X Interdyscyplinarna Konferencja Naukowa TYGIEL 2018 „Interdyscyplinarność kluczem do rozwoju”, 17-18.03.2018, Lublin.
      Prezentacja ustna: Garczyk Żaneta, Stach Sebastian, Wróbel Zygmunt, Przetwarzanie i analiza obrazu w ocenie stopnia porowatości powierzchni bioceramiki.
    • 6th International Conference Information Technologies in Biomedicine, 18-20.06.2018, Kamień Śląski.
      Prezentacja ustna w języku angielskim: Garczyk Ż., Stach S., Talu S., Dinara S., Wróbel Z. Segmentation of three-dimensional images of the butterfly wing surface.
    • National Scientific Conference „Science and Young Researchers” – 3rd edition, 15.06.2019, Łódź.
      Prezentacja ustna: Garczyk Ż., Stach S., Wróbel Z., Ocena porowatości powierzchni implantu z wykorzystaniem narzędzi informatycznych.
return to top