Temat projektu: Optymalizacja parametrów procesu mikro-łukowego utleniania plazmowego celem wbudowywania ceramicznych dodatków antybakteryjnych w powłokę wytworzoną na powierzchni technicznie czystego tytanu

Konkurs: SONATA 16

Projekt badawczy nr UMO-2020/39/D/ST8/01783

Kierownik projektu: Dr inż. Łukasz Maj

Powłoki antybakteryjne wytwarzane na powierzchni implantów stomatologicznych stanowią ważną grupę materiałów stosowanych w celu ograniczenia szkodliwego wpływu kolonii bakteryjnych na organizm człowieka. Istnieje wiele sposobów wytwarzania powłok przeciwdrobnoustrojowych, a za jedną z najbardziej obiecujących metod można uznać chemiczną obróbkę powierzchni poprzez utlenianie mikro-łukowe (MAO), pozwalające na wprowadzenie szerokiej gamy dodatków do materiału powłoki.

Prowadzone dotychczas badania miały na celu wprowadzenie do powłoki MAO metalicznych dodatków antybakteryjnych, takich jak Ag, Cu czy Zn. Ze względu na potencjalny szkodliwy wpływ tych pierwiastków w wyższych stężeniach na organizm ludzki, wciąż poszukuje się bardziej neutralnych dodatków. Dlatego, dodatki ceramiczne wzbudziły duże zainteresowanie, nawet jeśli uzyskany efekt antybakteryjny jest znacznie słabszy. W literaturze brakuje danych obejmujących kompleksową analizę mikrostruktury i kluczowych właściwości mechanicznych (adhezja i naprężenia szczątkowe) powłok MAO z ceramicznymi dodatkami antybakteryjnymi. Głównym celem proponowanego projektu jest opracowanie w pełni kontrolowanego procesu wbudowywania ceramicznych dodatków antybakteryjnych, takich jak ZrO2, ZnO i CeO2 do powłoki MAO wytwarzanej na powierzchni technicznie czystego tytanu poddanego wyciskaniu hydrostatycznemu i zaawansowane badania mikrostruktury powłok oraz ich właściwości mechanicznych.

Proces wytwarzania powłok MAO będzie prowadzony w zakresie wysokonapięciowym z jednoczesną kontrolą innych parametrów elektrycznych. Szczegółowa charakterystyka mikrostruktury wytworzonych powłok antybakteryjnych MAO zostanie przeprowadzona za pomocą skaningowej (SEM) i transmisyjnej mikroskopii elektronowej (TEM), poparta analizą składu fazowego i chemicznego. Przeprowadzone zostaną testy zarysowania w celu określenia wpływu rodzaju i stężenia dodatku antybakteryjnego na adhezję powłoki do podłoża. Pomiary naprężeń własnych zostaną podzielone na wyznaczanie naprężeń pierwszego rzędu zmodyfikowaną metodą sin2Ψ (przeprowadzoną za pomocą dyfraktometru rentgenowskiego) oraz drugiego rzędu poprzez analizę przesunięcia linii Kikuchi (na podstawie dyfrakcji elektronowej CBED uzyskanej w mikroskopie TEM).

Innowacyjne podejście proponowanego projektu opiera się na szczegółowym opisie mechanizmów procesu wbudowywania ceramicznych dodatków antybakteryjnych, takich jak ZrO2, ZnO i CeO2 do powłoki MAO wytwarzanej na powierzchni technicznie czystego tytanu poddanego odkształceniu plastycznemu. Tak zaawansowane badania mikrostruktury i właściwości mechanicznych powłok antybakteryjnych są unikalne dla tego typu materiałów i pozwolą na lepszą kontrolę procesu MAO. Ponadto, po raz pierwszy zostanie przedstawiony wpływ silnej anizotropii technicznie czystego tytanu poddanego wyciskaniu hydrostatycznemu na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne wytworzonej powłoki. Badania zaproponowane w ramach tego projektu powinny pozwolić na wyjaśnienie kluczowych właściwości powłok MAO z ceramicznymi dodatkami antybakteryjnymi. Może to być podstawą do opracowania innowacyjnych implantów stomatologicznych spełniających wszystkie niezbędne wymagania: biokompatybilność, wysokie właściwości mechaniczne i antybakteryjne.

Wyniki pozwolą na uzyskanie pełnej kontroli nad procesem MAO celem wytwarzania powłok antybakteryjnych, mających duże znaczenie dla implantologii stomatologicznej pod kątem zapobiegania potencjalnym infekcjom.

Temat projektu: Otrzymywanie i charakterystyka nowych materiałów do perowskitowych ogniw słonecznych

Konkurs: OPUS 16

Projekt badawczy nr 2018/31/B/ST8/03294

Kierownik projektu: Dr hab. Marek Lipiński

Projekt poświęcony jest opracowaniu nowych materiałów, które zostaną wykorzystane w słonecznych ogniwach perowskitowych.
Ogniwa tego rodzaju należą do najnowszej technologii, która przed kilkoma laty dokonała przełomu w fotowoltaice czyli w dziedzinie zajmującej się konwersją energii promieniowania słonecznego w energię elektryczną.

W projekcie opracowuje się metody wytwarzania zmodyfikowanego perowskitu halogenkowego oraz materiałów transportujących dziury (HTM). Syntezowane są perowskity o mieszanym składzie kationów metyloamoniowego, formamidynowego, guanidynowego lub cezowego o różnym udziale molowym. Prace te nawiązują do ostatnich kierunków badań, które są niezwykle obiecujące dla podniesienia stabilności perowskitu.

Projekt realizowany jest przez konsorcjum, w skład którego wchodzi Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej Polskiej Akademii Nauk (Lider) i Uniwersytet Śląski w Katowicach.

Temat projektu: Kształtowanie obróbką laserową natryskanych zimnym gazem powłok cermetalowych zawierających smar stały

Konkurs: OPUS 13

Projekt badawczy nr 2017/25/B/ST8/02228

Kierownik projektu: Dr hab. inż. Anna Góral

Celem naukowym projektu jest określenie korelacji pomiędzy stopniem metastabilności struktury i jej rozdrobnienia w skali nano na charakterystykę zużycia powłok (Cr3C2-25(Ni20Cr))-(Ni-grafit) natryskanych zimnym gazem i poddanych laserowej obróbce powierzchniowej. Analizowane będą zjawiska występujące w warstwie wierzchniej oraz właściwości mechaniczne i tribologiczne powłok. Kolejnym istotnym problemem naukowym będzie analiza wpływu podłoża (stop Al 7075, stal nierdzewna) na adhezję powłoki do podłoża oraz kohezji pomiędzy cząsteczkami tworzącymi powłokę w warunkach dynamicznego odkształcenia plastycznego.

Przedstawiona koncepcja powłok natryskanych zimnym gazem z laserową obróbką powierzchniową stwarza nowe możliwości konstytuowania powłok (Cr3C2-25(Ni20Cr))-(Ni-grafit) posiadających zarówno właściwości smaru stałego, jak i wysoką twardość, odporność na zużycie oraz stwarzających możliwość pracy w podwyższonych temperaturach w zależności od zastosowanego podłoża. Natryskane zimnym gazem i poddane laserowej obróbce powierzchniowej powłoki na elementy ze stopu Al 7075 wpłyną na poprawę ich właściwości tribologicznych, natomiast natryskane na podłoża ze stali nierdzewnej dodatkowo umożliwią ich zastosowanie w temperaturach do 500 ℃. Celem aplikacyjnym projektu jest poprawa właściwości eksploatacyjnych par kinematycznych w zakresie obniżenia oporów tarcia oraz zwiększenia trwałości przy podwyższonych obciążeniach oraz temperaturach.

Temat projektu: Opracowanie biozgodnego materiału o wysokich właściwościach mechanicznych i optymalnym czasie degradacji przeznaczonego do zastosowania na nowoczesne bioabsorbowalne stenty kardiologiczne

Konkurs: Lider XI

Projekt badawczy LIDER/54/0229/L-11/19/NCBR/2020

Kierownik projektu: Dr. inż. Anna Jarzębska

Biodegradowalne stenty to najnowsza generacja implantów, która posiada wiele zalet w porównaniu do klasycznych, permanentnych odpowiedników. Zaprojektowanie materiału do takiego zastosowania wiąże się ze spełnieniem istotnych warunków, takich jak wysokie właściwości mechaniczne, odpowiednia szybkość degradacji czy też biozgodność.

Zaproponowany w projekcie nowy materiał na bazie cynku, ma szanse sprostać tym restrykcyjnym wymaganiom. Osiągnięcie tego celu ma być zrealizowane poprzez zastosowanie stopowania oraz złożonego procesu odkształcenia na który składać się będzie wyciskanie na gorąco oraz jedna z niekonwencjonalnych metod odkształcenia plastycznego jaką jest wyciskanie hydrostatyczne.

Otrzymane materiały zostaną poddane szczegółowej charakterystyce mikrostrukturalnej oraz badaniom właściwości mechanicznych i korozyjnych, szybkości degradacji oraz biozgodności. Analiza mikrostrukturalna przy zastosowaniu skaningowej oraz transmisyjnej mikroskopii elektronowej pozwoli na zrozumienie zmian zachodzących w badanym materiale oraz odniesienie ich do jego właściwości, co umożliwi pełną kontrolę nowo otrzymanych stopów.Wyniki uzyskane na podstawie statycznej próby rozciągania pozwolą na wybranie materiału o najwyższych właściwościach mechanicznych. Badania elektrochemiczne oraz przeprowadzone testy zanurzeniowe statyczne i dynamiczne przyczynią się do dokładnego poznania właściwości korozyjnych i wskazanie materiału odznaczającego się optymalną szybkością degradacji. Analiza badań biologicznych, w tym adhezji komórek oraz badań cytotoksyczności wpłynie na oszacowanie wpływu złożonego odkształcenia plastycznego na biozgodność. Ponadto, zostanie opracowany prototyp biodegradowalnych stentów z otrzymanego materiału o unikalnych właściwościach.

Zaproponowana procedura będzie stanowiła przełom w kardiologii interwencyjnej i wpłynie na poprawę komfortu życia pacjentów, pozwalając na ograniczenie ilości powikłań związanych z długoterminowym kontaktem implantu z tkanką.