Entwicklung der elektrophoretischen Co-Abscheidung von bioaktiven und antibakteriellen Keramiken mit biologisch abbaubaren Polymeren mit dem Ziel neuartige Kompositbeschichtungen für biomedizinische Anwendungen herzustellen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Aldo Boccaccini
• Fachliche Zuordnung: Biomaterialien
• Förderung: Förderung von 2019 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 426494347

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Die Abscheidung neuartiger biologisch abbaubarer Beschichtungen mit maßgeschneiderter Bioaktivität und antibakterieller Wirkung auf metallischen Biomaterialien für Anwendungen als Zahn- und orthopädische Implantate ist von hoher medizinischer Relevanz, um das Risiko von Komplikationen nach der Implantation zu minimieren und den Einsatz von Antibiotika einzuschränken. Aufgrund seiner hohen Korrosionsbeständigkeit und Biokompatibilität ist kommerziell reines Titan (CP-Ti) eines der am häufigsten verwendeten Metalle im Dental- und Orthopädiebereich. In den letzten Jahren gewinnen auch metastabile β- und β-Ti-Legierungen wie Ti-13Nb-13Zr aufgrund ihrer knochenähnlichen mechanischen Eigenschaften und ihres ungiftigen Verhaltens bei Kontakt mit dem menschlichen Körper zunehmend an Bedeutung für biomedizinische Anwendungen. Allerdings weisen Ti und seine Legierungen bioinerte Eigenschaften auf und ihre osteoinduktiven Fähigkeiten müssen verbessert werden, z. B. durch Aufbringen bioaktiver und biologisch abbaubarer Beschichtungen auf ihrer Oberfläche. Unter den verschiedenen Beschichtungstechniken kann die elektrophoretische Abscheidung (EPD) mit einer Vielzahl von Materialien verwendet werden, um bei Raumtemperatur Filme auf verschiedenen dreidimensionalen Substraten abzuscheiden. Daher konzentriert sich das aktuelle Projekt auf die Entwicklung von Verbundbeschichtungen auf Polymerbasis, die verschiedene antibakterielle Wirkstoffe auf CP Ti und einer nahezu β-Ti-13Nb-13Zr-Legierung unter Verwendung von EPD integrieren. Die erhaltenen Beschichtungen können als potenziell geeignete Kandidatenmaterialien für orthopädische und zahnmedizinische Anwendungen angesehen werden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Electrophoretic deposition and characterization of HA/sodium alginate coatings on commercially pure titanium, UK-Poland Conference on Bioinspired Materials, 23-24.11.2020, MS Teams, oral presentation
  M. Warcaba
  
• Innowacje w Metalurgii i Inżynierii Materiałowej, 12.05-13.05.2022, Kraków - referat na zaproszenie pt. Osadzanie elektroforetyczne jako wszechstronna metoda wytwarzania powłok kompozytowych na podłożach metalowych, invited lecture
  T. Moskalewicz
  
• Adhesion, microstructure and Surface topography of mesoporous sol-gel glass/zein coatings electrophoretically deposited on Ti-13Nb-13Zr alloy substrates, European Congress And Exhibition On Advanced Materials And Processes - EUROMAT 2021, poster
  F. Maciąg
  
• Electrophoretic deposition and characterization of CuO/GtO/HA/SA coatings on titanium alloy, 30th Anniversary Conference „Biomaterials in Medicine and Veterinary Medicine”, Rytro, Poland, 2021, poster
  M. Warcaba
  
• Electrophoretic deposition of zein/bioactive glass composite coatings doped with F and Cu on titanium for biomedical applications, 6th Euro BioMAT 2021 - European Symposium on Biomaterials and Related Areas 05 May 2021 - 06 May 2021, online, poster
  Z. Hadzhieva
  
• Electrophoretic deposition, microstructure and properties of multicomponent sodium alginate based coatings on titanium biomaterials, Materials Science & Technology 2021: Where Materials Innovation Happens, 17-20 October 2021, Columbus, Ohio, USA, oral presentation
  T. Moskalewicz
  
• Hydroxyapatite/sodium alginate coatings electrophoretically deposited on titanium substrates: microstructure and properties. Applied Surface Science, 540, 148353.
  Moskalewicz, Tomasz; Warcaba, Maciej; Cieniek, Łukasz; Sitarz, Maciej; Gajewska, Marta & Boccaccini, Aldo R.
  
• Impact of Surface Topography, Chemistry and Properties on the Adhesion of Sodium Alginate Coatings Electrophoretically Deposited on Titanium Biomaterials. Metallurgical and Materials Transactions A, 52(10), 4454-4467.
  Warcaba, Maciej; Kowalski, Kazimierz; Kopia, Agnieszka & Moskalewicz, Tomasz
  
• The Effect of Electrophoretic Deposition Parameters on the Microstructure and Adhesion of Zein Coatings to Titanium Substrates. Materials, 14(2), 312.
  Maciąg, Filip; Moskalewicz, Tomasz; Kowalski, Kazimierz; Łukaszczyk, Alicja; Hadzhieva, Zoya & Boccaccini, Aldo Roberto
  
• 49–ta Szkoła Inżynierii Materiałowej SIM, 29.09-30.09.2022, Kraków - referat na zaproszenie pt. "Osadzanie elektroforetyczne powłok polimerowych i kompozytowych o osnowie polimerowej na podłożach metalowych„ invited lecture
  T. Moskalewicz
  
• Bioactive glass containing antibacterial and bioactive coatings on chemically pre-treated titanium by electrophoretic deposition (EPD), 26th International Congress on Glass (ICG), 3-8 July 2022, Berlin, Germany, poster
  Z. Hadzhieva
  
• Development and characterization of zein-based coatings incorporating fluoride- and copper-doped bioactive glass on titanium for biomedical applications, Joint KMM-VIN / ViCEM / ESB cross-disciplinary workshop 22-23 September 2022, Vienna, Austria, oral presentation
  Z. Hadzhieva
  
• Development and Investigation of Mesoporous Bioactive Glass/Zein Coatings Electrodeposited on Titanium Alloy for Biomedical Applications. Metallurgical and Materials Transactions A, 54(1), 241-260.
  Maciąg, F.; Moskalewicz, T.; Cholewa-Kowalska, K.; Hadzhieva, Z.; Dziadek, M.; Łukaszczyk, A. & Boccaccini, A. R.
  
• Electrophoretic deposition of zein/bioactive glass composite coatings doped with F and Cu on titanium for biomedical applications, 7th International Conference on Electrophoretic Deposition: Fundamentals and Applications (EPD VII), Oct. 30 – Nov. 3, 2022 Santa Fe, USA, poster and oral presentation
  Z. Hadzhieva
  
• Electrophoretic deposition, microstructure and biological properties of mesoporous sol-gel glass/zein coatings on Ti-13Nb-13Zr alloy, 31st Annual Conference Biomaterials in Medicine and Veterinary Medicine, Rytro, Poland, 2022, oral presentation
  F. Maciąg
  
• Electrophoretic deposition, microstructure and properties of multicomponent sodium alginate-based coatings incorporated with graphite oxide and hydroxyapatite on titanium biomaterial substrates. Applied Surface Science, 575, 151688.
  Moskalewicz, Tomasz; Warcaba, Maciej; Łukaszczyk, Alicja; Kot, Marcin; Kopia, Agnieszka; Hadzhieva, Zoya & Boccaccini, Aldo R.
  
• EPD and characterisation of graphite oxide/hydroxyapatite/sodium alginate coatings incorporated with Si3N4 or CuO nanoparticles on titanium biomaterials, 7th International Conference on Electrophoretic Deposition: Fundamentals and Applications (EPD VII), Oct. 30 – Nov. 3, 2022 Santa Fe, USA, keynote
  T. Moskalewicz
  
• Fabrication and characterization of multicomponent coatings on titanium for biomedical applications, Materials Science and Engineering (MSE) Congress, 27- 29 September 2022, Darmstadt, Germany, poster
  Z. Hadzhieva
  
• Influence of Si 3 N 4 and CuO Nanoparticles on the Microstructure and Properties of Multiphase Graphite Oxide/Hydroxyapatite/Sodium Alginate Coatings Obtained By Electrophoretic Deposition on Titanium Alloy. Journal of The Electrochemical Society, 169(9), 092524.
  Moskalewicz, Tomasz; Warcaba, Maciej; Hadzhieva, Zoya; Łukaszczyk, Alicja; Jeleń, Piotr; Sitarz, Maciej & Boccaccini, Aldo R.
  
• Recent developments in electrophoretic deposition (EPD) of antibacterial coatings for biomedical applications - A review. Current Opinion in Biomedical Engineering, 21, 100367.
  Hadzhieva, Zoya & Boccaccini, Aldo R.
  
• Bioactive and antibacterial soft coatings by electrophoretic deposition, Workshop “Implantate – Wenn die Antwort in der Schicht steckt!” by the European Society of Thin Films e.V. (EFDS), 27-28 February 2023, Tuttlingen, Germany
  A.R. Boccaccini
  
• Biomaterial strategies to combat implant infections: new perspectives to old challenges. International Materials Reviews, 68(8), 1011-1049.
  Braem, Annabel; Kamarudin, Nur Hidayatul Nazirah; Bhaskar, Nitu; Hadzhieva, Zoya; Mele, Andrea; Soulié, Jérémy; Linklater, Denver P.; Bonilla-Gameros, Linda; Boccaccini, Aldo R.; Roy, Ipsita; Drouet, Christophe; Ivanova, Elena P.; Mantovani, Diego & Basu, Bikramjit
  
• Electrophoretic deposition (EPD) of zein/bioactive glass composite coatings doped with F and Cu on titanium for biomedical applications. Materials Letters, 351, 135066.
  Hadzhieva, Zoya; Cholewa-Kowalska, Katarzyna; Dlouhy, Ivo; Moskalewicz, Tomasz & Boccaccini, Aldo R.
  
• Electrophoretic deposition of zein-based coatings on titanium for biomedical applications, 7th European Symposium on Biomaterials and Related Areas (BioMAT), 3-4 May 2023, Weimer, Germany, oral presentation
  Z. Hadzhieva
  
• Influence of Mesoporous Bioactive Glass Particles Doped with Cu and Mg on the Microstructure and Properties of Zein-Based Coatings Obtained by Electrophoretic Deposition. Journal of The Electrochemical Society, 170(8), 082501.
  Maciąg, F.; Moskalewicz, T.; Cholewa-Kowalska, K.; Hadzhieva, Z.; Dziadek, M.; Dubiel, B.; Łukaszczyk, A. & Boccaccini, A. R.
  
• Sodium-free fluoride- and copper-doped bioactive glass containing zein coatings for biomedical applications, XVIII Conference & Exhibition of the European Ceramic Society, 2-6 July 2023, Lyon, France, oral presentation
  Z. Hadzhieva