Stowarzyszenie Polskich Wynalazców i Racjonalizatorów wraz z Urzędem Patentowym RP i Politechniką Warszawską od dziewięciu lat są organizatorami Międzynarodowej Warszawskiej Wystawy Wynalazków IWIS. To jedyna w Polsce impreza o tematyce innowacyjno-wynalazczej o zasięgu międzynarodowym. Na wystawach goszczą każdego roku racjonalizatorzy ze wszystkich kontynentów.

Grupa badawcza z Instytutu Nauki o Materiałach, od lewej: dr inż. Sylwia Golba, mgr inż. Patrycja Osak, mgr Magdalena Szklarska, dr Bożena Łosiewicz, dr Grzegorz Dercz, dr Julian Kubisztal, mgr inż. Agnieszka Stróż

Z Międzynarodowej Warszawskiej Wystawy Wynalazków IWIS 2014 Instytut Nauki o Materiałach UŚ powrócił z trzema medalami w kategorii „medycyna i biotechnologia”, a także z Nagrodą Główną Europejskiego Stowarzyszenia Wynalazców AEI (Association of European Inventors) z siedzibą w Strasburgu. Z IWIS 2015 roku Instytut powrócił z Nagrodą Specjalną Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Złotym i Srebrnym Medalem.

Wprawdzie Instytut tworzy sześć jednostek naukowo-badawczych: Zakład Badań Strukturalnych, Zakład Biomateriałów, Zakład Krystalografii, Zakład Materiałów Amorficznych i Nanokrystalicznych, Zakład Modelowania Materiałów oraz Zakład Technologii Materiałów Inżynierskich, lecz większość badań prowadzą zespoły interdyscyplinarne, w skład których wchodzą specjaliści z zakresu inżynierii materiałowej, chemii, inżynierii biomedycznej, fizycy, biolodzy… Instytut jest jedyną w kraju jednostką uniwersytecką zajmującą się inżynierią materiałową i nauką o materiałach jako profilem badawczym. Według oceny komisji Badań na rzecz Gospodarki Rady Nauki od 2005 roku Instytut posiada I kategorię w grupie jednostek jednorodnych – mechanika, materiały, inżynieria chemiczna i procesowa.

Złoto

Uznanie jurorów zyskał wynalazek „Opracowanie nowego sposobu elektrochemicznego formowania nanotubularnych struktur tlenkowych na stopach tytanu do zastosowań biomedycznych. Jego autorami są mgr Agnieszka Smołka, dr hab. Danuta Stróż, dr Grzegorz Dercz i dr Bożena Łosiewicz. Istotą wynalazku jest poprawa biokompatybilności nowych stopów tytanu nie zawierających szkodliwych pierwiastków, takich jak nikiel, wanad, aluminium. Nowa metoda może być zastosowana w wielu dziedzinach medycyny, szczególnie w implantologii, ponieważ nanorurki uzyskane w ten sposób mogą działać jak mikro- lub nanostrzykawki napełniane środkami leczniczymi, bakteriobójczymi lub substancjami tkankotwórczymi dostarczanymi w ściśle określone miejsce, umożliwiając ich kontrolowane uwalnianie do organizmu z określoną szybkością, zależną od wielkości nanorurek.

Dwa srebra

Autorami kolejnego wynalazku pt. „Sposób osadzania bioaktywnych powłok z polimerów naturalnych na implantowych stopach tytanu” są mgr Magdalena Szklarska, dr Bożena Łosiewicz oraz dr Grzegorz Dercz. Odpowiadając na zapotrzebowanie rynku medycznego poszukującego bioaktywnych powłok z polimerów naturalnych na elementach wykonywanych ze stopu tytanu, zespół opracował metodę zastosowania nietoksycznych dodatków stopowych molibdenu, cyrkonu i niobu, które dzięki swoim właściwościom mechanicznym są zbliżone do ludzkich kości, a także charakteryzują się wysoką odpornością korozyjną. Badania in vitro otrzymanych powłok wykazały poprawę biozgodności, bioaktywności i odporności korozyjnej modyfikowanych stopów tytanu w płynach ustrojowych.

Kolejny srebrny medal otrzymali mgr inż. Patrycja Osak, dr Bożena Łosiewicz, dr hab. Tomasz Goryczka i dr Grzegorz Dercz za wynalazek pt. „Opracowanie nowego sposobu wytwarzania biokompatybilnych warstw fosforanowych na powierzchni stopu NiTi wykazującego efekt pamięci kształtu”. Powłoki otrzymane metodą przedstawioną w opisie wynalazku zapewniają większą biokompatybilność stopu NiTi wykazującego efekt pamięci kształtu. Porowata powłoka ma na celu poprawę osteointegracji poprzez działanie tkankotwórcze oraz cementotwórcze. Takie powłoki mogą być stosowane do pokrycia praktycznie każdego implantu, ponieważ fosforany wapnia są naturalnym składnikiem naszego organizmu występującym w największych ilościach w naszych kościach oraz zębach.

Nagroda Główna

Za wynalazek pt. „Biokompatybilny stop NiTi wykazujący efekt pamięci kształtu” Nagrodę Główną Europejskiego Stowarzyszenia Wynalazców AEI otrzymali mgr inż. Patrycja Osak, dr Bożena Łosiewicz i dr hab. Tomasz Goryczka.

Naukowcy przeprowadzili optymalizację parametrów procesu elektroderedukcji, co daje możliwość osadzania cienkich powłok fosforanowych bez konieczności spiekania wytworzonych warstw w wysokich temperaturach, ograniczając w ten sposób niekorzystny wpływ temperatury. Powłoki fosforanów wapnia nanoszono na powierzchnię stopu NiTi w celu poprawy odporności korozyjnej oraz bioaktywności otrzymanych powłok. Powłoki wytwarzane na drodze elektroredukcji pozwalają na kontrolę grubości otrzymanych powłok.

Nagroda Specjalna

Udział w IWIS 2015 zaowocował także pasmem sukcesów. Wynalazek „Sposób elektrochemicznego otrzymywania i właściwości nanoporowatego złota” autorstwa dr Bożeny Łosiewicz, mgr. inż. Patrycji Osak, mgr Magdaleny Szklarskiej, mgr Agnieszki Smołki, dr. Juliana Kubisztala i dr hab. Danuty Stróż został wyróżniony Nagrodą Specjalną Ministra Nauki i Szkolnictwa Wyższego oraz Złotym Medalem. Tym razem obiektem badań naukowców było nanoporowate złoto, materiał, który ze względu na unikatowe właściwości katalityczne, optyczne i biochemiczne pozostaje w centrum uwagi wszystkich ośrodków badawczych na świecie. Zespół z INoM opracował metodę elektrochemicznego otrzymywania nanoporowatego złota, wykorzystując do charakterystyki jego właściwości elektrochemicznych skaningowe metody elektrochemiczne.

Nie tylko implanty

Pracownicy Instytutu korzystają z wielu typów szkoleń. Jednym z cenniejszych kontaktów jest trwająca już ponad dziesięć lat współpraca z Universite de Sherbrooke w Quebecu. Co dwa lata chorzowski ośrodek odwiedza prof. Andrzej Lasia, pracownik naukowy kanadyjskiej uczelni, elektrochemik, absolwent Wydziału Chemii Uniwersytetu Warszawskiego, ceniony w świecie specjalista i wykładowca w zakresie zastosowania elektrochemicznej spektroskopii impedancji w badaniach materiałów metalicznych, ceramicznych oraz polimerowych. Z jego gościnnych wykładów korzystają pracownicy i studenci. Z kolei w kanadyjskim ośrodku pod okiem profesora A. Lasia naukowcy z Uniwersytetu Śląskiego przechodzą szkolenia w zakresie opanowania metody elektrochemicznej spektroskopii impedancyjnej, która jest najnowocześniejszym narzędziem elektrochemicznym służącym do charakteryzowania biomateriałów.

W pracowni dr inż. Sylwii Golby z Zakładu Biomateriałów prowadzone są wysoce specjalistyczne badania soczewek kontaktowych. Wprawdzie są one już w powszechnie używane, ale prace nad ich udoskonalaniem zarówno pod względem materiału, z którego są wykonane, jak i ich parametrów prowadzone są w wielu ośrodkach na świecie. Soczewka kontaktowa służy do korygowania wad wzroku. Ponieważ jest umieszczona bezpośrednio na rogówce oka, narządu niezwykle czułego, wymagającego szczególnej ochrony, musi być poddawana stałej kontroli i monitorowaniu reakcji gałki ocznej na obecność ciała obcego.

– Badamy materiały użytkowe – wyjaśnia dr inż. Sylwia Golba – zarówno pod względem składu jakościowego, jak i powstających wiązań chemicznych, analizujemy właściwości materiału, z którego soczewki są wykonane, śledzimy także reakcje, jakie wywołują one po wprowadzeniu do organizmu żywego, czyli na powierzchnię gałki ocznej. Na podstawie badań przy pomocy spektroskopii w podczerwieni można określić, co deponuje się na powierzchni soczewki. Metoda ta pozwala na analizę zarówno struktury cząsteczek, jak i ich oddziaływania z otoczeniem w celu uzyskania odpowiedzi na pytanie, jakie białka są zdeponowane na powierzchni oka. Natomiast w pracowni, gdzie wykorzystuje się techniki elektrochemiczne, badamy przepuszczalność jonów przez materiał soczewkowy.

Powierzchnia gałki ocznej pokryta jest filmem łzowym, czyli cienką warstwą płynu zawierającym różnego rodzaju elektrolity. Soczewka jest rodzajem membrany, która nakładana na gałkę oczną zespala się z płynem. W zdrowym oku następuje wymiana pomiędzy otoczeniem a filmem łzowym, jeżeli natomiast przykryjemy gałkę oczną membraną wykonaną na przykład z materiału HEMA (najczęściej stosowanego polimeru), to jest oczywiste, że soczewka stanowi barierę i wymiana ulega zachwianiu. Dzięki unikatowemu składowi chemicznemu filmu łzowego spojówka i rogówka są odpowiednio nawilżane, a jego prawidłowe funkcjonowanie w dużym stopniu decyduje o ostrości widzenia. Zaburzenia w składzie chemicznym mogą być powodem schorzenia, jakim jest tzw. suche oko. Materiały jonowe nie są w stanie szybko dyfundować (samorzutnie przenikać) od powierzchni oka, zwiększa się więc ich stężenie i pojawia się uciążliwe pieczenie i swędzenie gałki ocznej. Dlatego ważny jest nie tylko materiał, z którego wykonano soczewkę kontaktową, ale także płyny, w których jest ona zanurzona.

– W ostatnich czasach pojawiły się nowoczesne soczewki, które pomagają w diagnostyce medycznej – uzupełnia dr inż. Sylwia Golba. Tworzy się np. soczewki, które wspomagają oznaczenie poziomu glukozy we krwi. Stały, nieinwazyjny pomiar poziomu glukozy w organizmie ma olbrzymie znaczenie dla chorych na cukrzycę. W momencie, kiedy poziom wzrasta, soczewki zaczynają się wybarwiać, co jest znamiennym komunikatem dla osoby towarzyszącej, informującym o nadchodzącym niebezpieczeństwie.

Dalsze badania naukowców z Zakładu Biomateriałów zmierzają do poszukiwania zespołu dzielącego zainteresowania eksploracją depozytów białkowych i tworzeniem się biofilmów na powierzchniach materiałów soczewkowych. Zagadnienie to jest niezwykle ważne w procesie leczenia, nawet najlepiej umyte ręce przenoszą bowiem na soczewkę podczas jej umieszczania w oku liczne bakterie, które namnażają się i tworzą na powierzchni gałki ocznej niezwykle szkodliwy biofilm.

– Obraz zagrożeń wynikających z użytkowania soczewek kontaktowych jest rozległy, a spektrum powikłań odstrasza niejednego potencjalnego użytkownika – stwierdza badaczka.

Obiektem badań prowadzonych przez zespół pod kierownictwem dr inż. Sylwii Golby są także pomiary dotyczące zawartości i właściwości płynów, w których przechowywane są soczewki. Naukowcy symulują środowisko fizjologiczne, podnoszą poziom pH, zmniejszają bądź zwiększają temperaturę. Efekty analiz pozwalają przewidzieć m.in. zachowanie się soczewki w różnych porach roku, w zależności od stopnia nasłonecznienia. Bywa bowiem, że różnica między temperaturą ciała (37 st. C) a otoczeniem (np. –15 st. C) może osiągać wartość 50 stopni. Podobnie badane są reakcje w stanach podwyższonej temperatury organizmu. Materiał, z jakiego zostały zbudowane soczewki, reaguje na te wszystkie zmiany, przechodzi on jednak tzw. temperaturę zeszklenia typową dla polimerów. Przemiana dokonuje się więc tylko w warstwie zewnętrznej, w wewnętrznej pozostającej w bezpośrednim kontakcie z gałką oczną soczewka zachowuje prawidłowe parametry.

Efekty badań z wykorzystaniem spektroskopii w podczerwieni czy techniki MALDI-TOF zostały zaprezentowane na konferencji w Liverpoolu i wzbudziły duże zainteresowanie.

W Polsce jest bardzo niewiele ośrodków, które przeprowadzają tego typu specjalistyczne badania soczewek, natomiast w dziedzinie poszukiwania i doskonalenia metod ich monitorowania Zakład Biomateriałów Instytutu Nauk o Materiałach Uniwersytetu Śląskiego jest w ścisłej czołówce europejskiej.