Uniwersytet Śląski w Katowicach

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  – 15.09.2021 

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

Pierwsze zrealizowane zadanie badawcze polegało na wykonaniu wstępnych badań powierzchni próbek porowatego biomateriału korundowego wytworzonych metodą spieniania chemicznego.

Rysunek 1. Próbka porowatego biomateriału korundowego

Aby otrzymać mikrofotografie konfokalne kilku obszarów powierzchni biomateriału, wykonano pomiary w „Laboratorium Ilościowej Analizy i Modelowania Powierzchni Biomateriałów” Uniwersytetu Śląskiego za pomocą skaningowego laserowego mikroskopu konfokalnego LEXT OLS4000. Wybrano 10 obszarów powierzchni badanych próbek. Dla każdego z wybranych obszarów wykonano akwizycję obrazów obiektywami o różnym powiększeniu.

Rysunek 2. Skaningowy laserowy mikroskop konfokalny LEXT OLS4000

Drugie zadanie badawcze, przeprowadzono w „Laboratorium Ilościowej Wysokorozdzielczej Tomografii Komputerowej” Uniwersytetu Śląskiego. Próbki biomateriału poddano pomiarom za pomocą wysokorozdzielczego skanera rentgenowskiego GE Phoenix v|tome|x.

Rysunek 3. Skaner rentgenowski GE Phoenix v|tome|x

Serię projekcji, będących bezpośrednim wynikiem badania, poddano rekonstrukcji, a następnie wygenerowano trójwymiarowe obrazy próbek.

Rysunek 4. Wynik badania mikrotomografem – trójwymiarowy obraz próbki

Podczas trzeciego zadania badawczego dane stereometryczne pozyskane z wykorzystaniem mikroskopu konfokalnego zostały poddane obróbce komputerowej za pomocą programu MountainsMap® Premium firmy Digital Surf oraz procesowi analizy porów i cząstek w programie SPIP® firmy Image Metrology. Opracowano metodę przetwarzania i analizy obrazu wykorzystującą operacje punktowe, przekształcenia morfologiczne i przekształcenia geometryczne, dzięki której wysegmentowane zostały pory powierzchni oraz wyeliminowano jak największą liczbę defektów i zakłóceń. Wyznaczono także parametry charakteryzujące geometrię porów.

Rysunek 5. Analiza danych stereometrycznych z wykorzystaniem oprogramowania SPIP – obraz wynikowy

W kolejnym etapie przeprowadzono analizę mikrotomograficznych danych z wykorzystaniem oprogramowania Thermo Scientific Avizo. Analiza umożliwiła wysegmentowanie porów i wykonanie ich precyzyjnych pomiarów, w wyniku których wyznaczono parametry charakteryzujące pory oraz obliczono porowatość próbek.

Rysunek 6. Wynik analizy danych mikrotomograficznych

Czwarte zadanie badawcze polegało na opracowaniu modelu porów biomateriału. Realizacja procesu tworzenia modelu składała się z kilku etapów. Pierwszy etap polegał na określeniu założeń, które model powinien spełniać. Obrazy powierzchni biomateriału, pozyskane za pomocą mikroskopu konfokalnego umożliwiły określenie założeń modelu. W oparciu o przyjęte założenia, model został zaimplementowany w środowisku programistycznym pakietu Matlab. Aby umożliwić użytkownikowi wprowadzenie parametrów wejściowych modelu, zaprojektowano i wykonano graficzny interfejs użytkownika. Użytkownik ma możliwość określenia rozmiaru modelu, liczby porów oraz minimalnej i maksymalnej średnicy pora. Na podstawie tych parametrów generowany jest trójwymiarowy model. Kolejnym elementem jest możliwość wyboru płaszczyzny oraz pozycji przekroju. Generując przekrój użytkownik uzyskuje obraz powierzchni przedstawiający pory znajdujące się w wybranej płaszczyźnie i pozycji przekroju oraz parametry je charakteryzujące. Model umożliwia określenie objętości porów zarówno wewnątrz materiału jak i na jego powierzchni, co daje możliwość wyznaczenia objętości porów otwartych oraz szacowania średniej objętości porów na jednostkę powierzchni badanego materiału.

Rysunek 7. Trójwymiarowy model porów biomateriału

Ostatnia część badań polegała na weryfikacji opracowanego modelu. Metodę modelowania przetestowano poprzez porównanie wyników otrzymanych z wykorzystaniem modelu z danymi eksperymentalnymi uzyskanymi w wyniku mikrotomograficznych badań biomateriału. W pierwszym kroku przeprowadzono symulację komputerową, w wyniku której wygenerowano trójwymiarową reprezentację porów biomateriału. Parametry wejściowe modelu dobrano w taki sposób, aby przekrój materiału otrzymany w wyniku przecięcia trójwymiarowego modelu płaszczyzną, charakteryzował się geometrią porów analogiczną do tej uzyskanej podczas wcześniejszej analizy obrazów rzeczywistej powierzchni biomateriału.

Rysunek 8. Trójwymiarowy model porów biomateriału oraz jego przekrój uzyskane w wyniku symulacji komputerowej

Porównując ze sobą wyniki uzyskane w obu etapach eksperymentu stwierdzono, że program generuje model o strukturze i geometrii porów zbliżonej do rzeczywistego biomateriału ceramicznego, co potwierdziło poprawność opracowanego modelu. Model może zatem znaleźć praktyczne zastosowanie w celu zaprojektowania biomateriału o określonej strukturze wewnętrznej porów, która na powierzchni charakteryzować się będzie określoną objętością porów otwartych. Wyznaczona objętość umożliwi m. in. obliczenie, a następnie umieszczenie konkretnej objętości leku w porach otwartych biomateriału i dostarczenie do organizmu pacjenta podczas zabiegu implantacji.

Wykaz prac opublikowanych w wyniku realizacji projektu

1. 1. 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.
      Punkty MEiN: 5
   2. 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.
      Punkty MEiN: 5
   3. 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.
      Impact Factor: 1,411
      Punkty MEiN: 40
   4. 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.
      Punkty MEiN: 5
   5. Three-dimensional model for assessing the pore volume of biomaterials intended for implantation, Garczyk Ż., Stach S., W: Computational Modelling of Biomechanics and Biotribology in the Musculoskeletal System Jin Z., Li J., Chen Z. (red.); Elsevier, 2021, s. 305-358, ISBN 978-0-12-819531-4.
      Punkty MEiN: 20
   6. Ceramic biomaterial pores stereology analysis by the use of microtomography, Garczyk Ż., Jaegermann Z., Duda P., Swinarew A.S., Stach S., Materials, 2021, 14 (9), s. 1-11, ISSN: 1996-1944.
      Impact Factor: 3,623
      Punkty MEiN: 140

Inne formy upowszechnienia wyników – udział w konferencji

1. 1. 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.
   2. 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.
   3. 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.
   4. 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.
   5. 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.
   6. AAAFM-UCLA International Conference on Advances in Functional Materials 2021, „Materials, The Building Block For The Future”, American Association for Advances in Functional Materials, University of California, 18-20.08.2021, Los Angeles
      Poster: Garczyk Ż., Stach S., Three-dimensional model in assessing the pore geometry of a biomaterial intended for implantation.