Výzkumnéaktivity

Modifikace povrchů a pokročilé funkční biomateriály

Abstrakt:
Cílem výzkumu je vývoj implantátů synoviálních kloubů nové generace. Výzkumné aktivity se zaměřují na možnosti cílené změny topografie třecích povrchů, nanášení pokročilých inženýrských povlaků a využití 2D nanomateriálů při snaze významně snížit opotřebení náhrad a prodloužit tak jejich životnost.

Cíle výzkumu:

  • Stanovit optimální parametry textury aplikované na třecí povrchy implantátů.

  • Vyvinout povlak na bázi DLC s vynikající odolností proti otěru.

  • Zásadním způsobem zvýšit biotribologickou výkonnost implantátů s využitím nanočástic.

Specifikace výzkumu:
Cílem je výzkum a vývoj nové generace kloubních implantátů, které budou vykazovat významně delší životnost oproti stávajícím implantátům, čímž se dosáhne nejen zvýšení komfortu života pacientů s náhradou, ale také významné úspory kapacit a finančních nákladů zdravotnického systému. Na základě dosavadních zkušeností se výzkum orientuje třemi směry a to na (i) cílenou modifikaci topografie povrchu formou textury, (ii) nanášení pokročilých inženýrských povlaků na bázi DLC a (iii) využití 2D nanomateriálů ve formě plniva či povlaku aditivně vyráběných implantátů. Na základě mezinárodní spolupráce se již podařilo díky unikátní technologii texturování umělé kloubní jamky snížit součinitel tření ve fázi záběhu implantátu až o 40 % v porovnání s konvenčními třecími páry. Kombinace textury a povlaku rovněž vedla k významnému zvýšení tloušťky mazacího filmu, která byla stanovena s využitím metody kolorimetrické interferometrie při testech provedených na unikátním vyvinutém simulátoru, který umožnuje testovat náhrady kyčelního kloubu při uvažování reálné konformity povrchu. Aktuální zahraniční spolupráce směřuje k vývoji pokročilého povlaku na bázi DLC, který vykazuje vynikající adhezi k základnímu materiálu a poskytuje efektivní ochranu proti opotřebení. Další zahraniční spolupráce se zaměřuje na možnost využití 2D nanomateriálů, které mohou být skutečným milníkem v oblasti biomedicínského inženýrství, jelikož aktuální vědecké studie naznačují, že tyto materiály mají potenciál dosáhnout podmínek superlubricity, tedy součinitele tření na úrovni tisícin.

Publikace:
NEČAS, D.; USAMI, H.; NIIMI, T.; SAWAE, Y.; KŘUPKA, I.; HARTL, M. Running-in friction of hip joint replacements can be significantly reduced: The effect of surface-textured acetabular cup. Friction, 2020, vol. 8, no. 6, p. 1137-1152. ISSN: 2223-7690. https://doi.org/10.1007/s40544-019-0351-x

CHOUDHURY, D.; REBENDA, D.; SASAKI, S.; HEKRLE, P.; VRBKA, M.; ZOU, M. Enhanced lubricant film formation through micro-dimpled hard-on-hard artificial hip joint: An in-situ observation of dimple shape effects. Journal of the mechanical behavior of biomedical materials, 2018, vol. 81, no. 5, p. 120-129. ISSN: 1751-6161. https://doi.org/10.1016/j.jmbbm.2018.02.014

NEČAS, David, Adam GELNAR, Benedict ROTHAMMER, Max MARIAN, Matúš RANUŠA, Sandro WARTZACK, Martin VRBKA, Ivan KŘUPKA and Martin Hartl. 2024. Frictional Behavior and Surface Topography Evolution of DLC-Coated Biomedical Alloys. Tribology Letters. / V recenzním řízení /

Partneři a spolupráce:
Friedrich-Alexander-Universitat Erlangen-Nürnberg (FAU), Martensstrasse 9, 910 58, Erlangen, Německo.

Pontificia Universidad Católica de Chile, Vicuña Mackenna 4860, Macul 690411, Chile.

Meijo University, 1 Chome-501 Shiogamaguchi, Tempaku Ward, Nagoya, Aichi 468-0073, Japonsko.

Projekty:
MEBioSys – Strojní inženýrství biologických a bioinspirovaných systémů, OP JAK Špičkový výzkum, CZ.02.01.01/00/22_008/0004634, 2023-2028.

Kontaktní osoba:
doc. Ing. David Nečas, Ph.D.