Biomateriały dla medycyny regeneracyjnej

Prof. Aleksandra Czyrska-Filemonowicz oraz dr inż. Joanna Karbowniczek przy mikroskopie Titan Cubed G2 60-300 (fot. Michał Łepecki)

Choroby zwyrodnieniowe stawów, takie jak osteoartroza stanowią coraz większy problem w społeczeństwie nie tylko wśród pacjentów w podeszłym wieku. Uszkodzenie i postępująca degradacja tkanki chrzęstnej w stawach są wynikiem naturalnych procesów starzenia się, ale rozwojowi choroby sprzyja również brak ruchu, siedzący tryb pracy, niewłaściwa dieta czy otyłość. Ze względu na swoją budowę tkanka chrzęstna tylko w niewielkim stopniu ulega regeneracji. Dlatego, pomimo znaczącego postępu w medycynie, nadal najlepszym rozwiązaniem w przypadku zaawansowanej osteoartrozy jest zastąpienie uszkodzonego stawu implantem.

Głównym celem prac koncepcyjnych i badań zaproponowanych w projekcie był rozwój innowacyjnych biomateriałów (bioaktywnych powłok kompozytowych i rusztowań komórkowych z nanowłókien polimerowych) mający za zadanie doprowadzenie do znacznej poprawy w leczeniu ubytków kostnych i zmian zwyrodnieniowych kości oraz tkanki chrzęstnej. Było to możliwe dzięki wykorzystaniu interdyscyplinarnych badań z zakresu nowoczesnej inżynierii materiałowej i inżynierii tkankowej opartej na komórkach macierzystych. Cele szczegółowe projektu uwzględniały wytworzenie biomateriałów, charakterystykę ich właściwości mikromechanicznych, ocenę przyczepności powłok do podłoży, jakościową i ilościową charakterystykę mikro- oraz nanostruktury, a także badania topografii powierzchni biomateriałów i ich biozgodności. W projekcie postulowano, że mikroporowate powłoki kompozytowe PEEK/Bioszkło (wytworzone za pomocą osadzania elektroforetycznego) oraz powłoki TiO₂/Ca-P i TiO₂/HAp (wytworzone za pomocą elektrolityczno-plazmowego utleniania) wpłyną na poprawę jakości połączenia stopu tytanu z tkanką kostną. Z tego względu wykonano badania podstawowe umożliwiające ustalenie wpływu mikro- i nanostruktury, składu fazowego oraz porowatości biomateriałów po obróbce powierzchniowej na ich bioaktywność i biozgodność.

Do budowy elementów implantów mających bezpośredni kontakt z tkanką kostną wykorzystuje się najczęściej stopy tytanu, co wynika z ich dobrej odporności korozyjnej, korzystnych właściwości mechanicznych i wytrzymałościowych oraz niskiej gęstości. Dodatkowo stopy tytanu często poddaje się obróbce powierzchniowej, m.in. w celu przyspieszenia procesu stabilizacji implantu po operacji. Już pierwsze wyniki badań implantów tytanowych po obróbce powierzchniowej wykazały potrzebę rozszerzenia tematyki projektu, co znalazło odzwierciedlenie w tezach pracy doktorskiej dr inż. Joanny Karbowniczek. Celem doktoratu było opracowanie, wytworzenie i kompleksowa charakterystyka powłok nanoszonych na powierzchnię stopów tytanu w celu poprawy ich bioaktywności i biozgodności. Powłoki wytwarzano za pomocą utleniania elektrolityczno-plazmowego (ang. micro-arc oxidation, MAO) oraz osadzania elektroforetycznego, testując różne parametry obu procesów. Dzięki optymalizacji warunków procesu MAO otrzymano powłoki o dużej chropowatości, porowatości, dobrej przyczepności do podłoża, zawierające w zewnętrznej warstwie krystaliczny hydroksyapatyt. Te powłoki wykazywały dobrą bioaktywność i biozgodność na podstawie badań in vitro. Otrzymane powłoki były charakteryzowane przy użyciu zaawansowanych technik mikroskopii, spektroskopii i tomografii elektronowej. Wykorzystanie analitycznego mikroskopu elektronowego najnowszej generacji (S)TEM FEI Titan Cubed 60-300 z unikalnym oprzyrządowaniem, jakim dysponuje Centrum Mikroskopii IC-EM, pozwoliło na wykorzystanie najnowszych metod analitycznej mikroskopii elektronowej do badań mikro- i nanostruktury biomateriałów, aż do niedostępnej dotychczas skali atomowej. Ponadto wykonano pionierskie prace dotyczące obrazowania połączeń między komórkami a powierzchnią powłoki w przestrzeni trójwymiarowej przy użyciu skaningowego mikroskopu elektronowego z działem jonowym (ang. focused ion beam, FIB).

Interdyscyplinarne badania, wykorzystanie najnowszych osiągnięć różnych dziedzin nauki (takich jak inżynieria materiałowa, biotechnologia, inżynieria tkankowa) i nowoczesnych technologii (wytwarzanie powłok, rusztowań komórkowych) oraz zaawansowanych metod badawczych umożliwiły zrealizowanie zadań i celów podjętych w projekcie. Uzyskane wyniki były z powodzeniem prezentowane na międzynarodowych i krajowych kongresach i konferencjach naukowych oraz zostały opublikowane w czasopismach z bazy JCR. Wymiernym wynikiem projektu jest także rozprawa doktorska dr inż. Joanny Karbowniczek p.t. „Microstructure, cellular response and selected properties of titanium based biomaterials applied in regenerative medicine of bone tissue and joints” (aktualnie w finalnej fazie opracowania).

Projekt zrealizowany dzięki finansowaniu w konkursie HARMONIA 3 stanowił doskonałą platformę do nawiązania i pogłębienia współpracy międzynarodowej. Badania były prowadzone we współpracy z prof. F. Rustichellim z Università Politecnica delle Marche (Ancona, Włochy), prof. Aldo R. Boccaccinim z Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (Erlangen, Niemcy) i prof. E. Amlerem z Institute of Experimental Medicine of the Czech Academy of Sciences (Praga, Czechy), a także z prof. H. Cimenoglu z Istanbul Technical University (Stambuł, Turcja). Ważnym czynnikiem w skutecznej realizacji założeń projektu było szerokie doświadczenie badawcze partnerów projektu oraz możliwość wykonania części badań przy użyciu aparatury dostępnej w zagranicznych ośrodkach naukowych. Doświadczenie nabyte przez zespół badawczy we współpracy międzynarodowej umożliwiło dokończenie prac związanych z organizacją nowego Laboratorium Biomateriałów, które poszerzyło ofertę badawczą i dydaktyczną Centrum Mikroskopii i Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH.

Zespół Międzynarodowego Centrum Mikroskopii Elektronowej dla Inżynierii Materiałowej w okresie realizacji projektu OPTYMED (fot. Stanisław Malik, 2015 r.)

prof. dr hab. inż. Aleksandra Czyrska-Filemonowicz

Jest profesorem zwyczajnym w Międzynarodowym Centrum Mikroskopii Elektronowej dla Inżynierii Materiałowej (IC-EM) w Akademii Górniczo-Hutniczej i od 2017 r. emerytowanym profesorem Wydziału Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH.

Reprezentuje dziedzinę inżynieria materiałowa skupiając swoje zainteresowania badawcze wokół następujących obszarów: biomateriały metaliczne, materiały dla energetyki i lotnictwa (nadstopy, stopy tytanu, intermetale, stale, stopy ODS), nanomateriały, materiały do pracy w wysokich temperaturach i ekstremalnym środowisku, teoria i zastosowanie mikroskopii elektronowej.

Opublikowała ponad 500 prac naukowych, w tym 4 monografie oraz 16 opracowań monograficznych i rozdziałów w książkach. Brała udział w realizacji ponad 150 projektów w charakterze kierownika lub głównego wykonawcy. Jest laureatką konkursów w KBN, NCN, NCBiR, 6 i 7 PR UE oraz EIT KIC InnoEnergy. W programie POIG 2007-2013 kierowała projektem pt. „Zakup analitycznego transmisyjnego mikroskopu elektronowego z unikalnym oprzyrządowaniem do badań mikro- i nanostruktury materiałów”, w wyniku którego zakupiono i zainstalowano w AGH mikroskop elektronowy najnowszej generacji (S)TEM FEI Titan Cubed 60-300 z systemem ChemiSTEM do wieloskalowych analiz materiałów, także w skali atomowej (rozdzielczość 70 pm).

Działalność dydaktyczna prof. Aleksandry Czyrskiej-Filemonowicz obejmuje wykłady dla studentów i doktorantów z zakresu mikroskopii elektronowej, materiałów dla energetyki i lotnictwa oraz biomateriałów metalicznych w AGH, a także w uniwersytetach niemieckich i szwajcarskich (gdzie była zapraszana w charakterze profesora wizytującego): RWTH w Akwizgranie i CAU w Kilonii oraz EPFL w Lozannie. Jest promotorem 13 rozpraw doktorskich w AGH i opiekunem naukowym 5 doktorantów w Forschungszentrum Jülich.

Od wielu lat wykazuje niezwykłą aktywność w umiędzynarodowieniu polskiej nauki. Z jej inicjatywy 15 doktorantów i współpracowników odbyło długoterminowe staże zagraniczne (głównie w Niemczech, Austrii i Szwajcarii). Jest członkiem ponad 40 komitetów programowych oraz przewodniczącą wielu sesji podczas światowych i europejskich kongresów z zakresu mikroskopii elektronowej i inżynierii materiałowej. Inicjatorka i przewodnicząca międzynarodowych Szkół Mikroskopii elektronowej organizowanych cyklicznie w AGH od 2003 r.

Odbyła liczne staże zagraniczne, w tym 8 lat w Forschungszentrum Jülich (FZJ) w Niemczech. Po powrocie z zagranicy zmodernizowała laboratorium mikroskopii w AGH i wydatnie rozwinęła współpracę miedzynarodową, co w konsekwencji pozwoliło na utworzenie Międzynarodowego Centrum Mikroskopii Elektronowej dla Inżynierii Materiałowej, którym kierowała do 2016 r. W/w centrum zostało zaproszone do członkostwa w prestiżowej europejskiej sieci zaawansowanej mikroskopii elektronowej (Distributed European Infrastructure for Advanced Electron Microscopy for Nanoscience).

Wśród licznych funkcji w strukturach europejskich wyróżnia się działalność w Zarządzie European Microscopy Society (do 2016 r.), w Komitecie Naukowym ArcelorMittal (do 2013 r), w Komitecie Wykonawczym Federation of European Materials Societes, FEMS (do 2009), w kilku Komitetach Zarządzających projektami europejskimi (FP6-NoE, COST, FP7-INFRA, EIT KIC ) oraz w Helmholtz Management Academy w Berlinie. Członek wielu gremiów krajowych, w tym Komitetu Nauki o Materiałach PAN (do 2014 r.), przewodnicząca Komitetu Narodowego ds. Współpracy z IFSEM oraz Komitetu Narodowego ds. Współpracy z Międzynarodową Radą Nauki (ICSU) przy Prezydium PAN (do 2010 r.). Członek europejskich towarzystw naukowych (DGE i DGM w Niemczech oraz Royal Microscopy Society), członek-założyciel Polskiego Towarzystwa Materiałoznawczego, inicjatorka utworzenia i pierwszy prezes (do 2014 r.) Polskiego Towarzystwa Mikroskopii.

Laureatka wielu nagród, m.in. nagrody Ministra Nauki Szkolnictwa Wyższego i Techniki, Medalu Edukacji Narodowej oraz wielu nagród Rektora AGH za działalność naukowo-badawczą i dydaktyczną, w tym nagrody I stopnia za całokształt (2016 r.). Uhonorowana nagrodą Pratt & Whitney Award for Outstanding Effort in Supporting the GMS Program (USA, 2009 r.) i Helmholtz International Fellow Award for scientific achievements (Niemcy, 2013 r.).

dr inż. Joanna Karbowniczek

Prof. Aleksandra Czyrska-Filemonowicz oraz dr inż. Joanna Karbowniczek przy mikroskopie Merlin Gemini II (fot. Michał Łepecki)

Absolwentka Biotechnologii na Uniwersytecie Rolniczym w Krakowie. Ukończyła studia doktoranckie na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej Akademii Górniczo-Hutniczej w Krakowie. Pracę doktorską pt. „Microstructure, cellular response and selected properties of titanium based biomaterials applied in regenerative medicine of bone tissue and joints” obroniła pod kierunkiem prof. dr hab. inż. Aleksandry Czyrskiej-Filemonowicz. W latach 2013-2017 odbyła 5 zagranicznych staży naukowych, m.in. w Institute of Biomaterials (Erlangen, Niemcy) w grupie prof. A.R. Boccacciniego. Od 2015 r. jest asystentem na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej. Zajmuje się tematyką materiałów metalicznych wykorzystywanych do budowy implantów oraz polimerowych rusztowań stosowanych w inżynierii tkankowej.

Data publikacji: 24.10.2018

Data aktualizacji biogramów: 29.05.2020