24/03/2026
Dzisiaj historia projektu „Innowacyjne i funkcjonalne biomateriały kompozytowe oraz gradientowe zbrojone mikrocząstkami typu core-shell: wytwarzanie, struktura i właściwości” dr hab. Grzegorza Dercz, prof. UŚ 🔬
🌟
Kilka lat temu podczas realizacji jednej z prac magisterskich próbowaliśmy otrzymać nowy materiał metodą mechanicznej syntezy. Eksperyment się nie udał, bowiem synteza nie przebiegła zgodnie z planem, a wyniki początkowo zostały odrzucone jako niepowodzenie. Po pewnym czasie wróciłem jednak do tych wyników i okazało się, że w tej „nieudanej syntezie” wydarzyło się coś bardzo interesującego z punktu widzenia inżynierii materiałowej. Problem polegał na tym, że były to w dużej mierze warunki przypadkowe i bardzo trudno było je odtworzyć. Odtworzenie identycznych warunków zajęło ponad dwa lata i wymagało zużycia kilogramów materiałów, ale ostatecznie udało się uzyskać to, czego szukaliśmy.
🌟
Tak właśnie zaczęła się moja kilkuletnia praca nad cząstkami typu core–shell, która doprowadziła do uzyskania projektu badawczego finansowanego przez Narodowe Centrum Nauki w konkursie OPUS 27 (2024/53/B/ST11/00431).
Obecnie wraz z zespołem realizujemy projekt „Innowacyjne i funkcjonalne biomateriały kompozytowe oraz gradientowe zbrojone mikrocząstkami typu core-shell: wytwarzanie, struktura i właściwości”. Kierownikiem projektu jest dr hab. Grzegorz Dercz, prof. UŚ, a wartość finansowania wynosi ponad 1,5 mln zł. Projekt realizowany jest przez trzy lata i dotyczy opracowania nowych biomateriałów metalicznych przeznaczonych do długoterminowych implantów kostnych i stomatologicznych.
🌟
Materiały, nad którymi pracujemy, zbudowane są z mikrometrycznych cząstek typu rdzeń–powłoka (core–shell). Najprościej można je porównać do jajka albo brzoskwini – w środku znajduje się jeden materiał, a na zewnątrz drugi. W naszym przypadku rdzeń cząstek jest bogaty w np. tytan, cyrkon lub ich stopy, natomiast powłoka zawiera np. tantal lub cynę. Dzięki takiej budowie pojedyncza cząstka może mieć jednocześnie różne właściwości - z zewnątrz może być bardziej odporna i twardsza, a w środku bardziej plastyczna lub odwrotnie.
Z takich cząstek można następnie budować materiały kompozytowe i materiały gradientowe, czyli takie, w których struktura i właściwości zmieniają się w przestrzeni materiału. Oznacza to, że materiał nie jest wszędzie taki sam - w jednym miejscu może być bardziej wytrzymały, w innym bardziej elastyczny, a jeszcze w innym bardziej porowaty i bioaktywny. Trochę tak jak w naturze, bowiem kość również nie jest materiałem jednorodnym, tylko ma różną strukturę i gęstość w różnych obszarach.
W materiałach tych bardzo ważną rolę odgrywa również porowatość. W przypadku biomateriałów metalicznych pory mogą być zjawiskiem korzystnym, ponieważ umożliwiają wrastanie tkanki kostnej, poprawiają stabilizację implantu w organizmie oraz pozwalają lepiej dopasować sztywność materiału do kości, co zmniejsza ryzyko tzw. efektu „stress shielding”.
Materiały wytwarzamy metodą mechanicznego stopowania, a następnie metodami metalurgii proszków - poprzez mieszanie, prasowanie i spiekanie nadajemy finalny kształt. Dzięki temu możemy projektować materiały o zaprogramowanej strukturze i właściwościach, przeznaczone do konkretnych zastosowań medycznych. Badamy wpływ zarówno skład chemiczny jak i wielkości cząstek core-shell, ich ilości oraz rozmieszczenia w materiale na mikrostrukturę, właściwości mechaniczne, odporność korozyjną oraz bioaktywność materiałów.
🌟
Cała idea polega na tym, aby nie traktować materiału jako jednorodnego, ale projektować go jak konstrukcję - z warstwami, strefami i różnymi właściwościami w różnych miejscach. Dzięki temu w przyszłości będzie można projektować implanty bardziej dopasowane do konkretnego pacjenta - jednocześnie wytrzymałe, odporne na korozję i przyjazne dla organizmu.
Na mikrostrukturach, które pokazujemy, nie widać jeszcze implantu, śruby czy elementu medycznego. Widać tylko ziarna, fazy, pory i strefy dyfuzyjne. A jednak to właśnie od takich obrazów zaczyna się projektowanie nowych materiałów, które w przyszłości mogą trafić do ludzkiego ciała jako implanty.
🌟🌟🌟
Nowoczesna inżynieria materiałowa polega już nie tylko na wytwarzaniu materiałów, ale na projektowaniu ich struktury od skali mikro aż do całego elementu.
I bardzo często w nauce najciekawsze rzeczy zaczynają się od eksperymentu, który na początku wyglądał jak porażka.🧪
