Implant kostny o charakterze nośnika leków - projektowanie, synteza oraz wybrane właściwości

Bone implant as a drug carrier- designing, synthesis and selected properties

Agnieszka Jelonek

Streszczenie:

Niniejsza rozprawa doktorska dotyczy aktualnych zagadnień z obszaru inżynierii biomateriałów. Głównym celem pracy doktorskiej było zaprojektowanie i otrzymanie kompozytowych materiałów kościozastępczych o charakterze nośnika leków, które mogłyby znaleźć zastosowanie w chirurgii twarzoczaszki, oraz scharakteryzowanie ich wybranych właściwości fizykochemicznych i biologicznych. Realizacja wspomnianego celu wiązała się z doborem odpowiednich materiałów wchodzących w skład implantu, wyborem właściwego antybiotyku oraz opracowaniem sposobu wytwarzania wszczepów kostnych, a także optymalizacją ich kształtu, rozmiaru oraz mikrostruktury. Ważnym aspektem pracy było zbadanie wybranych właściwości fizykochemicznych i biologicznych wytwarzanych materiałów.
Zadaniem projektowanych implantów kostnych było pełnienie funkcji rusztowania dla nowo powstającej kości oraz dostarczenie terapeutycznej dawki antybiotyku domiejscowo, w celu zapobiegnięcia rozwojowi pooperacyjnej infekcji bakteryjnej. Wspomniane materiały kościozastępcze w formie porowatych mikrogranulek z fosforanów(V) wapnia pokrywanych poli(D,L-laktydem) powinny łączyć w sobie zalety tworzących je faz. Powinny być biozgodne oraz cechować się odpowiednim rozmiarem i kształtem, co zapewnia poręczność chirurgiczną. Odpowiednia porowatość powinna umożliwić integrację z tkanką kostną oraz przyspieszyć degradację implantu. Zadaniem resorbowalnej fazy polimerowej była poprawa adhezji materiału do ścian ubytku kostnego oraz pełnienie funkcji matrycy dla antybiotyku - chlorowodorku klindamycyny.
Otrzymane wyniki badań potwierdzają założenie niniejszej pracy, że kompozyt w formie porowatych mikrogranulek ceramicznych pokrywanych polimerem zawierającym antybiotyk spełnia wymagania stawiane biomateriałom i może być zastosowany do wypełniania niewielkich ubytków kostnych oraz jako nośnik leku. Opisane materiały są konkurencyjne w stosunku do implantów kostnych opisywanych w literaturze naukowej lub obecnie dostępnych na rynku, a także stanowią bazę dla dalszych badań w zakresie biomateriałów kościozastępczych.

Abstract:

The field of interest of the doctoral thesis are bone implants which could be used as drug carriers and be applied in maxillofacial surgery. They are designed to play role of the scaffolds for new formed bone and to deliver a therapeutic dose of antibiotic, in order to prevent infections. The bone grafts in form of calcium phosphate porous microgranules coated with poly(D,L-lactide) should combine the advantages of the constituent phases. They have to be biocompatible and have the proper size and shape that ensure chirurgical handiness. The suitable porosity should enable implant integration with bone tissue and to accelerate its degradation. The aim of resorbable polymer phase is enhancement material's adhesion to the bone defect and playing role of antibiotic (clindamycin hydrochloride) matrix.
The main purpose of the PhD thesis was to design and obtain composite bone substitutes which can be used as a drug carrier. As a consequential step of this study, the physicochemical and biological properties of the implant were characterized. This work was realized by the choice of the proper materials, a selection of suitable antibiotic, an invention of obtaining method of the bone grafts and optimizing their shape, size and microstructure. The important aspects of the doctoral thesis was investigation of physicochemical and biological properties of obtained implants.
Results of the studies on mentioned implants confirm the assumption of this thesis that biomaterial composite in form of porous ceramic microgranules covered with polymer containing antibiotic perform the requirements for bone grafts and can be used to fill small bone defects and as the drug carrier. Described materials are competitive with other bone implants described in the literature or available on the market. They are also an adequate basis for further investigations in the field of bone substitute biomaterials.

Recenzja prof. E. Pamuły

Recenzja prof. A. Sobczak-Kupiec

Wytwarzanie i charakteryzacja struktur plazmonicznych do zastosowań w fotowoltaice

Elaboration and characterization of plasmonic nanostructures for photovoltaic applications

Zbigniew Starowicz

Streszczenie

Nowoczesne ogniwa słoneczne coraz częściej łączą w swojej architekturze zmniejszenie zużycia materiałów fotoaktywnych ze zwiększeniem wydajności energetycznej, celu redukcji kosztów pozyskania energii słonecznej. Wraz ze zmniejszeniem grubości ogniw, w technologiach cienkowarstwowych i nowych koncepcjach ogniw opartych o nanomaterialy nie istnieje już możliwość zastosowania znanych do tej pory sposobów zmniejszania strat optycznych, jak teksturyzacja powierzchni czy warstwy antyrefleksyjne. Konieczne jest wykorzystanie nowych materiałów i struktur umożliwiających związanie światła z obiektami w nono skali. Takie możliwości dają struktury plazmoniczne metali.

Celem niniejszej pracy było opracowanie i wykonanie w oparciu o nanocząstki srebra struktur plazmonicznych, które mogłyby zostać zastosowane w ogniwach słonecznych. Podstawowymi zjawiskami, które powodują zasadność stosowania takich struktur są silne rozpraszanie światła oraz wzmocnienie bliskiego pola elektrycznego wokół nanocząstki w warunkach rezonansu plazmonowego. Srebro zostało wybrane jako materiał do badań z uwagi na występowanie rezonansu plazmonowego w istotnym z punktu widzenia fotowoltaiki zakresie długości fali, niską absorpcję własną oraz stosunkową dobrą elastyczność w zakresie kształtowania różnego rodzaju nanostruktur.

W ramach przedstawionej rozprawy szczególny nacisk położono na metody wytwarzania potencjalnie przydatnych dla fotowoltaiki nanostruktur srebra, ich aspekty mikrostrukturalne, jak również wynikające z tego właściwości. Własności plazmoniczne silnie zależą takich parametrów jak wielkość i kształt nanocząstek oraz otocznie, dlatego też wymagana jest dobra kontrola tych parametrów mikrostruktury. Trzy sposoby wytwarzania zostały wybrane, które dodatkowo były wspomagane przez symulacje komputerowe. Były to osadzanie fotochemiczne, technika formowania nanowysp z cienkich warstw (Metal Island Film, MIF) oraz osadzanie z koloidów poprzez elektrostatyczne samoorganizowanie.

W trakcie realizacji pracy wykorzystano metody badawcze w celu scharakteryzowania mikrostruktury nanocząstek i struktury badanych materiałów (SEM, AFM, TEM, XRD, XPS, spektroskopia Ramanowska i w podczerwieni) oraz w celu określenia parametrów optoelektronicznych (elipsometria, odbicie, charakterystyka I-V, EQE). Istotne postępy w zrozumieniu podejmowanego zagadnienia wniosły symulacje komputerowe umożliwiające określenie interakcji nanocząstek ze światłem.

W aspekcie metody fotochemicznej wynikiem niniejszej rozprawy było opracowanie warunków osadzania małych nanocząstek srebra na podłożu dwutlenku tytanu. Średnia wielkość nanocząstek była poniżej 50 nm, która zmieniała się wraz ze zmianą stężenia prekursora srebra oraz intensywności światła laserowego. Głównym cechą tych nanocząstek było silnie wzmocnienie bliskiego pola elektrycznego. Przewidziano możliwość wykorzystania tego rodzaju cząstek w ogniwach organicznych. W metodzie MIF badano parametry nanoszenia i obróbki cieplnej warstw Ag jako czynników kształtujących mikrostrukturę nanowysp. Główny nacisk położono jednak na koncepcje zastosowania nanocząstek na przedniej powierzchni ogniwa. Dla tej konfiguracji za pomocą symulacji komputerowych opracowano optymalny rozmiar nanocząstek oraz pokrycie powierzchni. Następnie zbadano proces adsorpcji nanocząstek z suspensji koloidalnych. Zmierzone własności otrzymanych układów poddano ponownej analizie metodami symulacji komputerowych. Finalnym efektem było zastosowanie nanocząstek w krzemowych ogniwach słonecznych, uzyskując najwyższą jak dotąd poprawę prądu ogniwa uzyskanego dla struktur otrzymanych tą metodą.

Abstract

Modern solar cells in their architecture more often combine the reduced amount of photoactive materials with increased energy conversion efficiency, in order to minimized the cost of solar energy. With the reduction of cell thickness in the thin-film technologies and new concepts of cells, based on nanomaterials, it is no longer possible to use heretofore known methods, such as surface texturisation or antireflection coatings, for reducing the optical losses. It is necessary to elaborate new materials and structures for coupling of light with objects in nonoscale. Such capabilities provide plasmonic metal structures.

The aim of this work was to develop and execute plasmonic structures based on silver nanoparticles that could be applied in solar cells. Basic phenomena that cause the validity of the use of such structures are strong light scattering and strengthening the near electric field around the nanoparticle at the surface plasmon resonance conditions. Silver was selected due to the occurrence of plasmon resonance in the significant from the point of view of photovoltaic wavelengths range, low parasitic absorption and good flexibility of fabrication of various types of nanostructures.

Within the presented dissertation a special emphasis was put on the methods of producing silver nanostructures potentially useful in photovoltaics and their microstructural aspects, as well as the resulting properties. Plasmonic properties strongly dependent on parameters such as the size and shape of the nanoparticles and the local environment, therefore, good control of these microstructure parameters is highly required. Three methods of preparation have been selected, which were additionally assisted by computer simulations. These were the photochemical deposition, nanoisland formation from the thin layers (Metal Island Film, MIF) and the deposition from colloids by electrostatic self-assembly process.

During the work the various research methods were used to characterize the microstructure of nanoparticles collections and structure of tested materials (SEM, AFM, TEM, XRD, XPS, Raman and infrared spectroscopy) as well as to determine optoelectronic properties (ellipsometry, UV-VIS-NIR spectroscopy, I-V characteristics, EQE). Significant progress in understanding the research field and connected issues were enabled by computer simulations for specifying the interaction of nanoparticles with light.

In terms of the photochemical methods result of this work was determination of conditions for embedding small silver nanoparticles on the surface of titanium dioxide. The average size of the nanoparticles is below 50 nm, which is changed with the change of concentration of the precursor of silver and the intensity of the laser light. The main feature of these nanoparticles was strongly strengthening short electric field. The possibility of using this kind of organic particles in the cells. Within the MIF method the deposition parameters of the Ag layers were studied as factors influencing the microstructure of resulted nanoislands. However, the main emphasis was on concept of application of nanoparticles on the front surface of the cell. For this configuration, the optimal size of the nanoparticles and surface coverage were investigated using computer simulations. Then the process of adsorption of nanoparticles from colloidal suspensions were investigated. The measured properties of obtained samples were used to re-define computer simulations taking into account actual features analyzed systems. The final result was the application of nanoparticles in silicon solar cells, yielding the highest heretofore improvement of the cell current response for structures obtained by this method.

Recenzja prof. Z. Bieleckiego

Recenzja prof. D. Kaczmarek

Strukturalne i teksturowe efekty umacniania metalicznych materiałów heksagonalnych poprzez odkształcenie plastyczne w procesach o złożonym schemacie obciążeń

Microstructure and texture effects generated during strengthening of hexagonal materials by plastic deformation in complex loading processes

Jakub Kawałko

Streszczenie

Przedmiotem badań w przedstawionej pracy doktorskiej były materiały heksagonalne (tytan i cynk) ze zmodyfikowaną strukturą krystaliczną i teksturą, w wyniku zastosowania do obróbki tych materiałów technik intensywnego odkształcenia plastycznego. Zaawansowane właściwości mechaniczne materiałów metalicznych przetworzonych takimi technikami wynikają z wytwarzanej w nich struktury nano-, lub ultra-drobnokrystalicznej, w której zmodyfikowana struktura granic ziaren wpływa znacząco na zachowanie plastyczne tych materiałów.

Za główny cel w pracy przyjęto przeprowadzenie ilościowej analizy efektów strukturalnych i teksturowych powstających w wyniku przetwarzania prętów tytanowych trzema technikami (KoBo, ECAP oraz HE), pozwalającymi na wytwarzanie próbek zdeformowanych z dużym stopniem odkształcenia. Doboru technik przetwarzania dokonano w oparciu o możliwość uzyskiwania materiału w postaci prętów - co związane jest z aplikacyjnym aspektem pracy - zastosowaniem biozgodnego tytanu o zmodyfikowanej strukturze i podniesionych właściwościach mechanicznych do produkcji nowej generacji implantów dentystycznych.
W pracy wykorzystano techniki mikroskopii orientacji w skaningowym mikroskopie elektronowym do przygotowania ilościowego opisu mikrostruktury i tekstury odkształcanych materiałów w oparciu o lokalne pomiary orientacji krystalograficznej. Dzięki uzyskanym mapom EBSD przeprowadzono szczegółową analizę dotyczącą rozkładu wielkości ziaren uzyskiwanych w odkształcanych materiałach, analizę struktury granic dużego i małego kąta, analizę lokalnych dezorientacji, analizę deformacji sieci krystalicznej oraz analizę lokalnych zmian tekstury. Dodatkowo przeprowadzono analizę termiczną polegającą na badaniu zmian zachodzących w strukturze podczas ogrzewania próbek w eksperymentach in-situ połączonych z badaniami EBSD.

Stwierdzono, że najwyższą zdolność do produkcji wysoce rozdrobnionej struktury tytanu i tym samym największe umocnienie uzyskuje się dzięki wyciskaniu hydrostatycznemu co związane jest z niską temperaturą homologiczną, w której prowadzony jest proces wyciskania hydrostatycznego. KoBo charakteryzuje się zdolnością rozdrabniania struktury zbliżoną do metody ECAP w 8 przepustach drogą C, przy czym ta pierwsza metoda stosuje tylko jeden krok odkształcenia. Struktura uzyskiwana metodą KoBo - połączenie dużej gęstości granic dużego kąta ze stosunkowo niewielkim zagęszczeniem statystycznych defektów sieci, prowadzi do zwiększenia właściwości mechanicznych przy zachowaniu plastyczności, pozwalając na dalsze formowanie materiału w obróbce plastycznej na zimno.

Odkształcony w metodzie KoBo cynk polikrystaliczny charakteryzuje się znacznym wzrostem właściwości mechanicznych, pomimo wysokiej temperatury homologicznej, w której prowadzono deformację i nieznacznym rozdrobnieniem struktury. Przeprowadzona analiza wskazuje na obecność znacznego nagromadzenia defektów struktury krystalicznej w szerokich obszarach wzdłuż granic ziaren. Obszary te zaobserwowane dzięki analizie spadków parametru jakości obrazu dyfrakcyjnego w metodzie EBSD, sugerujących występowanie w tych obszarach zdeformowanej i naprężonej sieci krystalicznej. Obszary te zajmują nawet 45% powierzchni przekroju struktury, podczas gdy wnętrza ziaren pozostają względnie nieodkształcone. Dwoisty „kompozytowy" charakter struktury naprężeń w próbce, uważany jest za przyczynę poprawy właściwości mechanicznych, ponad wartości wynikające z rozdrobnienia ziarna i tłumaczone relacją Halla-Petcha.

Abstract

Subject of this thesis was connected with investigation of hexagonal materials (titanium and zinc) with modified microstructure and texture, after processing by severe plastic deformation techniques. Advanced mechanical properties of materials processed by those techniques results from nano- or ultra-fine grained structure in which modified grain boundary structure has significant impact on plastic behavior.

From the literature review one can conclude, that CP titanium with substantially refined crystal structure can be considered as viable alternative for commonly used, yet potentially harmful Ti-6Al-4V alloy in implant applications. One of the factors hindering application of nanocrystalline and ultra-fine grained titanium in biomedical industry can be connected with relative difficulty of preparation of such modified microstructure in this metal. Methods that are most widely described in literature: ECAP and HE usually involve many steps of deformation processes, often connected with additional thermo-mechanical treatment.

In this work, microstructure of titanium deformed by the KoBo extrusion technique, which allows relatively high deformation in single process step, is discussed and compared with results obtained by ECAP and HE deformation. The utilization of orientation imaging microscopy methods was used for the first time, to compare quantitative and statistical features of titanium structure deformed by those three methods, in terms of description of microstructure morphology, grain boundary structure, and evaluation of crystal lattice deformation.

In addition, discrete orientation data is used to investigate local changes of texture in microscopic scale, by calculating pole figures and orientation distribution functions.
Thermal stability of KoBo deformed titanium samples is investigated in terms of series of DSC analysis, resistive furnace annealing combined with hardness measurements, and EBSD in-situ heating experiments, allowing observation of changes of crystal lattice deformation, grain size and grain boundary density, as well as texture evolution.
It is shown that highest grain refinement and thus highest level of strengthening is achievable by processing titanium by means of hydrostatic extrusion, which is connected with low homologous temperature of deformation in this process. KoBo has grain refinement capability of titanium comparable to deformation in 8 ECAP passes by route C, but in case of the former method only one step of deformation is used. Microstructure of titanium after KoBo deformation - increased density of high angle grain boundary and relatively low amount of statistically stored lattice defects, results in increased mechanical properties and maintained plasticity, allowing further shaping and strengthening in cold deformation processes.

Microstructure of polycrystalline zinc is also investigated as another example of hexagonal material after KoBo treatment, with relation to surprisingly high mechanical properties of this material after deformation, despite relatively low grain refinement due to high homologous temperature of deformation. New structural feature is observed and connected with accumulation of lattice defects in areas along grain boundaries, resulting in structure resembling composite material - mixture of thick and hard grain boundary network, combined with softer grain interiors with low concentration of lattice defects.

Recenzja prof. K. Kowalczyk-Gajewskiej

Recenzja prof. J. Tarasiuka

Termodynamiczne, strukturalne i termofizyczne właściwości ciekłych stopów Al-Li-Zn

Thermodynamic, structural and thermophysical properties of liquid Al-Li-Zn

Marcela Trybuła

Streszczenie

Znajomość właściwości termodynamicznych, fizykochemicznych i strukturalnych ciekłych stopów jest niezbędna do projektowania materiałów o specjalnych właściwościach i przeznaczeniu, jak np. materiały do magazynowania wodoru. Zatem wiedza dotycząca wzajemnej korelacji między owymi właściwościami jest niezbędna do usprawnienia procesów technologicznych (topienie, odlewanie), które bywają dla wielu ciekłych stopów trudne do wykonania. W tym celu, konieczna jest znajomość natury oddziaływań między atomami oraz ich wzajemnego powinowactwa.

Główny przedmiot badań stanowiły trzy ciekłe stopy trójskładnikowe Al-Li-Zn, o składzie odpowiadającym trzem fazom międzymetalicznym obecnym w układzie Al-Li-Zn w stanie stałym. Podstawę dla analiz układu trójskładnikowego stanowiły badania składających się na niego trzech stopów dwuskładnikowych(Al-Li, Li-Zn, Al-Zn).
Niniejsza praca skupia się na opisie zależności pomiędzy strukturą, a właściwościami termodynamicznymi oraz transportowymi ciekłych stopów Al-Li-Zn. Analiza tych zależności przeprowadzona została z zastosowaniem szerokiej gamy metod eksperymentalnych oraz obliczeniowych. Eksperymentalne pomiary funkcji termodynamicznych mieszania oraz cząstkowych, zostały wykonane metodą ogniw galwanicznych. Właściwości fizykochemiczne badano odpowiednio z wykorzystaniem metody wypływu cieczy przez otwór na dnie naczynia (ang. Draining Crucible method, DC). Wśród zastosowanych metod obliczeniowych można wymienić symulacje dynamiki molekularnej klasycznej i ab initio (MD oraz AIMD). Charakterystyka chemicznego uporządkowania bliskiego zasięgu została przeprowadzona poprzez wyznaczenie parametru bliskiego zasięgu (CSRO) z obliczeń ab initio. Natomiast topologię lokalnego rozkładu atomów zbadano za pomocą metod: analizy najbliższych sąsiadów (ang. Common Neighbour Analysis, CNA) oraz wielościanów Voronoia (ang. Voronoi, Analysis, VA). Analiza właściwości fizykochemicznych została wzbogacona o dane uzyskane z obliczeń modelami półempirycznymi.

Analizy właściwości termodynamicznych i fizykochemicznych ciekłych stopów Al-Li-Zn, przeprowadzone w oparciu o opracowane w ramach niniejszej pracy parametry oddziaływania trójskładnikowego ujawniła silną stabilizację fazy ciekłej stopów Al-Li-Zn w obszarze bogatym w Al. Natomiast szczegółowa analiza trójwymiarowej struktury ciekłych stopów trójskładnikowych, obejmująca CNA i VA, pozwoliła zaobserwować zwiększony udział uporządkowania bliskiego zasięgu o charakterze ikozaedrycznym (ISRO), cechującego się pięciokrotną symetrią, dla dwóch faz międzymetalicznych. Analogiczne wnioski zostały wyciągnięte dla badanych stopów dwuskładnikowych posiadających w stanie stałym fazy międzymetaliczne. Analiza CNA i VA przeprowadzona dla stopów dwuskładnikowych umożliwiła dokładnie scharakteryzować uporządkowanie bliskiego zasięgu jak również pozostaje w zgodności z analizą termodynamiczną i fizykochemiczną. Analogiczne wnioski wynikają z zbadanej zależności między właściwościami transportowymi a strukturą badanych ciekłych trójskładnikowych stopów.
Przeprowadzone badania w rezultacie dały spójny i dokładny opis fazy ciekłej stopów Al-Li-Zn w zakresie właściwości fizykochemicznych, termodynamicznych i strukturalnych.

Abstract

The knowledge of thermodynamic, physicochemical and structural properties of liquid alloys is crucial for the design of advanced materials like hydrogen storage alloys. Therefore, understanding the relationships between these properties is necessary for the improvement of technological processes such as casting or melting, which for many alloys are difficult to perform. To achieve this, the knowledge of interactions between atoms and their mutual affinity is needed.

The main subject of the research were three liquid ternary Al-Li-Zn alloys of compositions corresponding to three intermetallic phases present in the solid state of the Al-Li-Zn system. Foundation for analysis of the ternary system was laid by the investigation of three constituent binaries: Al-Li, Li-Zn and al-Zn.
This thesis focuses on describing the relationship between structure and thermodynamic, and transport properties of the selected liquid Al-Li-Zn alloys. This relationship was analyzed using a wide variety of experimental and computational methods. Experimental measurements of thermodynamic functions were performed using the galvanic cell method. Physicochemical properties were investigated using the draining crucible method (DC). Within the computational methods applied, classical and ab initio molecular dynamics simulations can be mentioned. Chemical short-range order characteristics was obtained by computing the short-range order parameter from ab initio molecular dynamics results. The topology of local atom arrangement was investigated using the Common Neighbor Analysis (CNA) and Voronoi Analysis (VA). Physicochemical properties analysis was supplemented by the data obtained using semi-empirical models. 

The analyses of thermodynamic and physicochemical properties of liquid Al-Li-Zn alloys, performed using ternary interaction parameters developed within this thesis revealed strong stabilization of the liquid phase in the Al-rich range. Whereas, a detailed analysis of three-dimensional structure of the investigated liquid ternary alloys, including CNA and VA, allowed to observe an increase in icosahedral short-range order (ISRO), displaying five-fold symmetry, for two intermetallic phase compositions. Analogous conclusions were drawn for the investigated binary alloys possessing intermetallic phases in the solid state. CNA and VA analyses allowed to precisely characterize the short-range ordering as well as it was compatible with thermodynamic and physicochemical analyses. Similar conclusions were drawn from the investigation of relationship between transport properties and the structure of the investigated liquid ternary alloys.
The studies performed gave a coherent and detailed description of Al-Li-Zn alloys liquid phase, including physicochemical, thermodynamic and structural properties.

Recenzja prof. J. Romanowskiej

Recenzja prof. M. Warzechy