Inženiring inovativnih in pametnih hibridnih materialov prihodnosti z združevanjem lasersko funkcionaliziranih kovinskih površin in živih celic (LaserInSMArT)

Navdih za hibridne materiale lahko najdemo v naravnih bioloških sistemih, kot so biofilmi in skeletna tkiva, ki so sestavljeni iz živih in neživih komponent. To odpira nesluten potencial za razvoj novih pametnih naprednih materialov. Inovativni hibridni materiali prihodnosti bodo zasnovani z združevanjem trdnih materialov želenih mehanskih lastnosti z živimi organizmi, ki so avtonomnimi, prilagodljivi in izkazujejo samoobnovitvene sposobnosti. Številne kombinacije lastnosti materialov, ki tvorijo hibride, odpirajo možnosti uporabe na zelo raznolikih raziskovalnih področjih. Zato LaserInMat uporablja interdisciplinarni pristop in vključuje raziskovalce s področij fizike, biologije, materialov, fotonike in strojništva. Na ta način bomo dosegli boljše razumevanje interakcij med celicami in snovjo ter ta spoznanja uporabili za razvoj inovativnih hibridov prihodnosti.

Na osnovi znanja, pridobljenega v prejšnjih raziskovalnih projektih (Z2-9215; J2-7196; J2-1741; in J2-7196) o razvoju funkcionaliziranih kovinskih zlitin in laserski funkcionalizaciji površin, bomo znotraj projekta LaserInMat naredili pomemben korak k združevanju kovin in bioloških celic. Izbrane funkcionalizirane kovinske zlitine bodo zagotavljale želene lastnosti, kot so biorazgradljivost oz. trajnost (odvisno od uporabe); netoksičnost; enostavno recikliranje zaradi zagotavljanja trajnosti virov; in ustrezne mehanske lastnosti. Poseben poudarek bo dan razumevanju, kako lasersko povzročene spremembe površinske kemije (vključno s površinsko oksidacijo in difuzijo atomov zaradi laserske ablacije) različnih kovinskih zlitin dolgoročno vplivajo na obnašanje celic. Kovinske zlitine z želenimi lastnostmi bomo razvili z uporabo običajnih metalurških poti, dodajnih tehnologij na podlagi laserskega selektivnega taljenja in z laserskim inženiringom površin. Interdisciplinarne raziskovalne aktivnosti bodo podale odgovor na vprašanje, katere kombinacije (in zakaj) funkcionaliziranih materialov in bioloških celic vodijo v razvoj hibridov, ki med drugim omogočajo: posnemanje naravnih sistemov; tvorbo biofilmov s specifičnimi encimi; in izboljšano biokompatibilnost medicinskih vsadkov. Za dosego teh ciljev bomo izbrane celice v seriji bioloških eksperimentov izpostavili različnim novo razvitim materialom in opazovali vpliv funkcionaliziranih površin na celično viabilnost, adhezijo, morfologijo, proliferacijo, diferenciacijo, regeneracijo in migracijo.

Razvite hibride bomo preizkusili v luči izbranih aplikacij, kot so medicinski vsadki. S tem bomo osvojeno razumevanje fizikalnih in bioloških mehanizmov potrdili na nivoju demonstracije koncepta (tehnološka zrelost TRL 3). Tovrstna demonstracija bo podala smernice za razvoj inovativnih materialov v prihodnosti in ob tem tudi razširila spekter že znanih aplikacij, kjer lahko tovrstni hibridi pomembno prispevajo k vrhunskemu razvoju novih tehnoloških in biomedicinskih komponent. V okviru teh raziskav LaserInMat predvideva tudi aktivnosti, ki bodo pojasnile, na kakšen način je potrebno izboljšati/funkcionalizirati nežive materiale in njihove površine, da bo to omogočilo dolgotrajno obstojnost razvitih hibridov z zagotavljanjem ustreznih pogojev za žive celice.

Razvite aplikacije bodo vodile do povsem novih pristopov gojenja biofilmov, ki bodo npr. omogočili katalizo razpada celuloze za pretvorbo kmetijskih odpadkov v biogoriva ali razgradnjo snovi, ki onesnažujejo okolje (npr. mikroplastike). S tem bodo rezultati projekta pomembno prispevali k ohranitvi okolja. Razviti pristopi za izdelavo pametnih hibridov bodo odprli tudi nove možnosti za raziskovanje interakcij med površinami in živimi mikroorganizmi, svetlobo, drugimi elektromagnetnimi polji, molekulami in atomi.

DS1: Vodenje projekta (M1-M36) 

• N1.1 Poročanje o napredku in stroških (M1-M36)
• N1.2 Nadzor in upravljanje kakovosti (M1-M36)

 

DS2: Laserski inženiring materialov (M1-M18)

• N2.1 Izbor kovinskih zlitin (M1-M3)
• N2.2 3D izdelava kovinskih zlitin (M2-M10)
• N2.3 Obravnava glavnih ablativnih režimov (M6-M14)
• N2.4 Laserska funkcionalizacija površin (M12-M18)

 

DS3: Interakcija med celicami in snovjo (M15-M26) 

• N3.1 Izbor celic (M15-M18)
• N3.2 Biokompatibilnost in mehanizmi interakcije med celicami in površino (M17-M26)
• N3.3 Raziskave vpliva lasersko spremenjene površinske kemije na obnašanje celic (M17-M26)

 

DS4: Razvoj hibridnih materialov (M22-M36)

• N4.1 Izbor aplikacij za potrditev koncepta (M22-M25) 
• N4.2 Razporejanje celic v različne vzorce (M26-M31)
• N4.3 Potrditev koncepta (M32-M36)
• N4.4 Razvoj pristopov za zagotavljanje trajnosti (M31-M36)

 

DS5: Karakterizacija (podporne aktivnosti: M1-M36)

• N5.1 Karakterizacija neživih materialov (podporna aktivnost; M1-M18)
• N5.2 Karakterizacija bioloških celic (podporna aktivnost; M15-M26)
• N5.3 Karakterizacija obnašanja hibridnih materialov (M22-M36)

 

DS6: Razširjanje in izraba rezultatov (M1-M36)

• N6.1 Predstavitev rezultatov projekta splošni javnosti (M1-M36)
• N6.2 Predstavitev rezultatov projekta znanstveni javnosti (M7-M36)
• N6.3 Predstavitev rezultatov projekta strokovni javnosti (M12-M36)