Przełomowe badania naukowców Politechniki Krakowskiej z finansowaniem NCN!

Nowe materiały dla lotnictwa i budownictwa, trwalsze wadzić dzięki finansowaniu z Narodowego Centrum Nauki. Projekty naszych laureatów, nagrodzonych w konkursach Opus, Preludium i Miniatura, otwierają drogę do technologii mogących realnie zmienić przemysł, medycynę i druk 3D.

Od polimeryzacji frontalnej do inteligentnych materiałów: innowacyjna ścieżka produkcji ultralekkich struktur dla budownictwa, lotnictwa, elektroniki

Dr inż. Klaudia Trembecka-Wójciga (Wydział Inżynierii i Technologii Chemicznej Politechniki Krakowskiej oraz Instytut Metalurgii i Inżynierii Materiałowej im. Aleksandra Krupkowskiego Polskiej Akademii Nauk) zrealizuje projekt pt. Innowacyjna technologia wytwarzania porowatych materiałów kompozytowych: połączenie polimeryzacji frontalnej i nanoinżynierii dla zrównoważonego przemysłu”. Otrzymała na niego grant w wysokości 2 439 430 zł.

Projekt otwiera nowe perspektywy przed inżynierią procesową – koncentruje się na opracowaniu nowej generacji zaawansowanych materiałów porowatych przez połączenie innowacyjnego projektowania materiałowego z wydajnymi technikami wytwarzania addytywnego. Takie ultralekkie, a jednocześnie wytrzymałe materiały mogą znaleźć zastosowanie m.in. w budownictwie, elektronice, energetyce czy lotnictwie — wszędzie tam, gdzie liczy się niska masa, dobra izolacyjność i wysoka odporność. Nowe materiały mogą stać się podstawą nowej generacji energooszczędnych, wysoce funkcjonalnych produktów takich jak innowacyjne izolatory cieplne w budownictwie, ultralekkie komponenty lotnicze, elementy elektroniki o lepszym odprowadzaniu ciepła czy struktury do magazynowania energii.

Kluczowym elementem badań będzie wykorzystanie polimeryzacji frontalnej – procesu, w którym „front” reakcji chemicznej przemieszcza się przez materiał, inicjowany ciepłem lub światłem. – Będziemy wykorzystywać tę technikę do tworzenia nowych kompozytów polimer – cząstki nieorganiczne o doskonałych właściwościach termicznych. Kluczowa innowacja polega na opracowaniu sposobu rozkładu inicjatorów polimeryzacji, które w czasie reakcji generują pęcherzyki gazu. Dzięki temu pory powstają niejako samoczynnie, bez potrzeby używania dodatkowych środków spieniających. To podejście jest bardziej ekologiczne, łatwiejsze do kontrolowania i otwiera drogę do precyzyjnego sterowania porowatością materiałów. Regulując tempo uwalniania gazu i przebieg reakcji, można precyzyjnie kształtować wielkość i rozkład porów w materiale – opisuje autorka badań.

Ponieważ front polimeryzacji przemieszcza się w określonym kierunku, tworzone materiały zyskują właściwości anizotropowe — czyli różne parametry w różnych kierunkach. Umożliwia to projektowanie komponentów, które zachowują się optymalnie pod konkretnymi obciążeniami, co jest niezwykle wartościowe np. w lotnictwie, konstrukcjach budowlanych czy nowoczesnych urządzeniach elektronicznych.

Wykorzystanie w procesie gęsto upakowanych nanocząstek, takich jak krzemionka, tlenek grafenu lub tlenek glinu, dodatkowo poprawi właściwości materiału. Stabilizują one tworzące się pęcherzyki, poprawiają przewodnictwo cieplne i wzmacniają strukturę całego materiału. Rezultatem jest nowa klasa porowatych kompozytów – materiałów o wyjątkowych właściwościach termoizolacyjnych i mechanicznych, idealna do wymagających zastosowań.

Autorka projektu pójdzie w badaniach o krok dalej – zaproponowała integrację polimeryzacji frontalnej z technikami wytwarzania addytywnego, w tym z drukiem 3D. To podejście łączy szybkość i niskie zużycie energii charakterystyczne dla polimeryzacji frontalnej z precyzją druku 3D. Umożliwia produkcję skomplikowanych, lekkich struktur, często bez konieczności stosowania podpór, oraz dokładną kontrolę nad porowatością i anizotropią. Dzięki temu powstają elementy o geometrii i właściwościach niedostępnych dla tradycyjnych technik. – Nasze badania pozwolą na nowo zdefiniować nowoczesną inżynierię procesową. Dają szansę wprowadzić do gospodarki istotną innowację: szybką, energooszczędną i łatwo skalowalną metodę produkcji materiałów dla branż poszukujących energooszczędnych i funkcjonalnych produktów – zapowiada dr inż. Kluadia Trembecka-Wójciga.

Nowa generacja implantów dentystycznych – trwałych i przyjaznych dla pacjentów

Dr inż. Monika Topa-Skwarczyńska z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej na realizację projektu pt. „Wysokowydajne materiały bioceramiczne wytwarzane metodą przyrostową na potrzeby zaawansowanej implantologii stomatologicznej” otrzymała grant w wysokości 2 577 860 zł.

Celem projektu jest stworzenie nowej generacji materiałów na implanty dentystyczne, wytwarzanych metodą druku 3D. Badaczka opracuje też technologię wytwarzania takich implantów, obejmującej zarówno proces fotopolimeryzacji, jak i końcową obróbkę termiczną. –Chcemy stworzyć nowej klasy fotoutwardzalne materiały bioceramiczne, charakteryzujące się wysoką reaktywnością, obniżonym skurczem polimeryzacyjnym do produkcji implantów dentystycznych o wysokiej wytrzymałości mechanicznej wysokiej biokompatybilności i porowatości dla skutecznej integracji z kością pacjenta – mówi dr inż. Monika Patrycja Topa-Skwarczyńska, liderka projektu.

Realizacja tych celów stanowi odpowiedź na ograniczenia obecnie stosowanych materiałów i metod produkcji implantów ceramicznych. Współczesna implantologia powszechnie wykorzystuje ceramikę cyrkonową, cenioną za wysoką biokompatybilność i walory estetyczne, ale podatną na procesy starzenia w środowisku wilgotnym oraz na korozję w warunkach kwaśnych (co prowadzi do stopniowej degradacji jej właściwości mechanicznych). Kruchość ceramiki i jej wrażliwość na mikropęknięcia dodatkowo ograniczają niezawodność implantów, szczególnie w obszarach poddawanych zmiennym obciążeniom. Wprawdzie dynamiczny rozwój metod addytywnych otworzył ogromne możliwości personalizacji implantów, lecz obecne parametry druku 3D nie gwarantują jeszcze wystarczającej wytrzymałości, dokładności wymiarowej ani jednorodności struktur. Istotną barierą pozostaje także sama chemia żywic stosowanych jako osnowa kompozytów ceramicznych: akrylanowe monomery wykazują wysoki skurcz polimeryzacyjny, prowadzący do deformacji i defektów wydruków, natomiast standardowe fotoinicjatory rodnikowe, choć skuteczne, charakteryzują się toksycznością, ograniczając ich aplikację w biomateriałach przeznaczonych do kontaktu z tkankami.

Prace badaczki Politechniki skoncentrują się na m.in. na powstrzymaniu starzenia ceramiki cyrkonowej i poprawie jej właściwości przez stworzenie kompleksowo zaprojektowanych systemów materiałowych, w których skład chemiczny czy mikrostruktura zostaną zoptymalizowane.

Innowacyjnym elementem jest wprowadzenie hybrydowego mechanizmu fotopolimeryzacji, łączącego procesy rodnikowe i kationowe. Takie podejście pozwoli znacząco zwiększyć reaktywność żywic i poprawić rozdzielczość druku przy jednoczesnym obniżeniu skurczu polimeryzacyjnego. Otwiera to możliwość precyzyjnego sterowania gęstością sieciowania materiału, co przełoży się na kontrolowane właściwości mechaniczne i eliminację deformacji.

Jednocześnie projekt zakłada modyfikację fazy nieorganicznej poprzez kontrolę wielkości ziarna, dobór odpowiednich warunków spiekania oraz dodanie drugiej fazy wzmacniającej, co zwiększy odporność materiału na starzenie, ograniczy degradację w środowisku wilgotnym i poprawi trwałość implantów w długotrwałym użytkowaniu.

Nowatorskim aspektem badań jest zastosowanie zaawansowanych dyspergatorów i środków powierzchniowo czynnych, które umożliwią skuteczne łączenie fazy organicznej z nieorganiczną. Poprawa jednorodności i kontrola lepkości kompozytów są kluczowe dla uzyskania stabilnych zawiesin ceramicznych, a w konsekwencji – dla zwiększenia jakości, powtarzalności i precyzji druku 3D. Równolegle opracowana zostanie pełna charakterystyka nowych materiałów, obejmująca badania kinetyczne, fotochemiczne, reologiczne, mechaniczne, strukturalne i biologiczne, co zapewni pełne zrozumienie procesu formowania materiału i jego zachowania podczas polimeryzacji, drukowania oraz spiekania.

W efekcie projekt odpowie na rosnące zapotrzebowanie na biomateriały charakteryzujące się wysoką reaktywnością, niskim skurczem polimeryzacyjnym, doskonałą biokompatybilnością i możliwością uzyskania kontrolowanej porowatości sprzyjającej integracji implantu z kością pacjenta. Opracowane implanty mają cechować się wyższą wytrzymałością mechaniczną, brakiem defektów strukturalnych oraz zwiększoną trwałością w warunkach klinicznych.

***

W konkursie OPUS 29 wpłynęło 2538 wniosków. Do finansowania eksperci NCN zakwalifikowali 344 wnioski na łączną kwotę ponad 636,1 mln zł. Wskaźnik sukcesu w konkursie wyniósł 13,55%.

Kropki węglowe – odkrywane na nowo

W konkursie PRELUDIUM 24, kierowanym do naukowców bez stopnia doktora, zostały nagrodzone finansowaniem projekty młodych badaczek i badaczy Politechniki dotyczące m.in. technologii kropek węglowych i naturalnych fotoinicjatorów.

Kropki węglowe to niezwykle małe cząstki węgla, które potrafią świecić pod wpływem światła. Odkryte przypadkowo w 2004 roku, szybko zyskały zainteresowanie naukowców na całym świecie. Dzięki swoim właściwościom – takim jak fluorescencja, nietoksyczność, biokompatybilność i możliwość łatwej modyfikacji – mogą znaleźć zastosowanie w wielu dziedzinach: od medycyny i diagnostyki, przez ochronę środowiska, aż po nowoczesne technologie optoelektroniczne.

Celem projektu Wiktorii Matyjasik jest opracowanie prostych, ekologicznych i tanich metod syntezy kropek węglowych z odpadów przemysłu spożywczego (np. odpady po produkcji mąki). Zamiast drogich i czystych odczynników, wykorzystane zostaną łatwo dostępne surowce odpadowe, co wpisuje się w ideę zrównoważonego rozwoju i gospodarki obiegi zamkniętu. – Efektem projektu będzie opracowanie nowych, biodegradowalnych i biokompatybilnych nanomateriałów, które mogą znaleźć zastosowanie jako barwniki, sensory, nośniki leków czy materiały do obrazowania medycznego – mówi autorka badań.

Projekt zakłada również modyfikację struktury kropek węglowych za pomocą soli organicznych zawierających różne metale, takie jak nikiel, cynk czy pallad. – Tego typu domieszkowanie może znacząco zmieniać właściwości optyczne i chemiczne materiałów – np. zwiększać intensywność świecenia, zmieniać barwę, poprawiać stabilność czy nadawać nowe funkcje, jak aktywność katalityczna czy właściwości magnetyczne. Wstępne badania wykazały, że niektóre modyfikacje mogą nawet trzykrotnie zwiększyć intensywność fluorescencji. Badania pozwolą więc odpowiedzieć na pytania, jak różne metale wpływają na strukturę i właściwości kropek węglowych oraz które modyfikacje są najbardziej efektywne – zapowiada Wiktoria Matyjasik.

 Na drodze do nano-leku aktywowanego światłem w precyzyjnej terapii nowotworów

Nad opracowaniem nowoczesnych kropek węglowych do terapii nowotworów będzie pracować dr inż. Patryk Szymaszek z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej w projekcie pt. „Opracowanie czerwono emitujących chiralnych kropek węglowych dla zaawansowanej terapii fotodynamicznej (PDT)”. Na badania otrzymał 209 775 zł.

Nowoczesne kropki węglowe, emitujące czerwone światło i o określonej chiralności mogą posłużyć jako ulepszone fotouczulacze w terapii fotodynamicznej nowotworów, obiecującej alternatywie dla tradycyjnych terapii onkologicznych. – Nowe kropki węglowe mają umożliwić skuteczniejsze i bardziej selektywne niszczenie komórek rakowych, jednocześnie oszczędzając zdrowe tkanki. Naszym celem jest więc stworzenie nano-leku aktywowanego światłem, który precyzyjnie zabija komórki nowotworowe przy minimalnych skutkach ubocznych – mówi autor badań dr inż. Patryk Szymaszek.

Terapia fotodynamiczna (PDT) działa tak, źe pacjent otrzymuje nieaktywny lek (fotouczulacz) kumulujący się w guzie, po czym guz naświetla się światłem. Aktywowany fotouczulacz wytwarza reaktywne formy tlenu, niszcząc komórki nowotworowe. – Trwają prace nad fotouczulaczami absorbującymi światło czerwone lub bliskie podczerwieni, umożliwiającymi głębsze naświetlanie guzów niż obecne tylko kilka milimetrów. W tym kontekście pojawiły się kropki węglowe – maleńkie nanocząstki o intensywnej fluorescencji i niskiej toksyczności. Pobudzone światłem kropki węglowe generują reaktywne formy tlenu, zabijając komórki rakowe – wyjaśnia Patryk Szymaszek.

Ważnym wyzwaniem w projekcie naukowca PK będzie nadanie kropkom określonej chiralności. – Chiralność – czyli istnienie obiektu w dwóch lustrzanych wersjach – sprawia, że formy prawo- i lewoskrętne cząsteczek mogą różnie działać w organizmie. Chiralne kropki powinny więc trafiać głównie do komórek nowotworowych, omijając zdrowe, co zwiększy skuteczność i ograniczy efekty uboczne terapii – mówi naukowiec Politechniki.

W badaniach zsyntezowane zostaną chiralne kropki węglowe, a następnie poddane szczegółowej charakterystyce fizykochemicznej (m.in. określenie rozmiaru cząstek i właściwości optycznych) oraz sprawdzeniu pod kątem zdolności do generowania pod wpływem światła reaktywnych form tlenu. Badania in vitro pokażą, czy i jak kropki węglowe wnikają do komórek rakowych oraz czy chiralność sprzyja ich większemu gromadzeniu w komórkach nowotworowych. W projekcie zaplanowane też testy cytotoksyczności, selektywności działania.

– Realizacja projektu zaowocuje nowym chiralnym fotouczulaczem PDT, który przezwycięży dotychczasowe ograniczenia. Umożliwi skuteczne niszczenie nawet głęboko położonych guzów przy minimalnym uszkodzeniu zdrowych tkanek – mówi dr inż Patryk Szymaszek.

Natura jako źródło napędu dla druku 3D

„Natura jako nieograniczone i odnawialne źródło fotoinicjatorów do druku 3D – synteza i badania spektroskopowe nowych fotoinicjatorów oraz układów fotoinicjujących pochodzenia naturalnego opartych o chromofory na bazie kwasu cytrynowego” to tytuł  projektu dr inż. Katarzyny Starzak z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej PK (grant w wys. 210 000 zł).

Głównym zadaniem w projekcie jest opracowanie nowych, wysoce efektywnych, jednoskładnikowych fotoinicjatorów, opartych na naturalnie występujących związkach, takich jak kwas cytrynowy, dedykowanych głównie procesom fotopolimeryzacji wolnorodnikowej. Miałyby zastosowanie w procesach druku 3D z wykorzystaniem zarówno syntetycznych, jak i naturalnych monomerów lub oligomerów w celu uzyskania bezpiecznych, wydajnych i przyjaznych dla środowiska systemów fotoinicjujących. – Takie struktury będą przydatne w technologiach druku 3D wykorzystujących światło, które doprowadzą do uzyskania złożonych trójwymiarowych struktur przy użyciu bezpiecznych komponentów – wyjaśnia Katarzyna Starzak.

Badania pozwolą wypełnić lukę badawczą w kwestii wykorzystania bio-pochodnych systemów fotoinicjujących w procesach polimeryzacji indukowanej światłem. Poszerzą wiedzę na temat możliwości wykorzystania nowych związków pochodzenia naturalnego w układach fotoinicjujących dedykowanych do procesów polimeryzacji indukowanej światłem, a także ich zastosowania w żywicach światłoutwardzalnych do wytwarzania materiałów polimerowych charakteryzujących się wysoką rozdzielczością złożonych struktur metodami druku 3D.

Celem badań jest też zmniejszenie szkodliwości dla środowiska spowodowanej stosowaniem syntetycznych substratów poprzez zastąpienie ich naturalnie występującymi związkami do syntezy, zapewnienie lepszych właściwości spektroskopowych otrzymanych fotoinicjatorów oraz zwiększenie efektywności procesu inicjacji.

 ***

W PRELUDIUM 24 spłynęło 2506 wniosków, a ostatecznie do finansowania zostało zakwalifikowanych 369 wniosków o łącznej wartości ponad 61,6 mln zł. Wskaźnik sukcesu wyniósł 14,72%.

Mini-granty na ważne badania wstępne

Narodowe Centrum Nauki wesprze finansowaniem także politechniczne projekty w ramach konkursu Miniatura. Jego nowymi laureatami zostali dr inż. Elżbieta Malewska z Wydziału Inżynierii i Technologii Chemicznej oraz dr inż. Mateusz Marcinkowski z Wydziału Inżynierii Środowiska i Energetyki. Środki z NCN pozwolą im na zdobycie doświadczenia w samodzielnym kierowaniu grantem oraz przygotowanie do startu w innych konkursach NCN.

Dr inż. Elżbieta Malewska otrzymała 45 650 zł na projekt pt. „Analiza wpływu struktury chemicznej biopolioli otrzymanych ze źródeł odnawialnych na efektywność mechanochemicznego recyklingu wiskoelastycznych pianek poliuretanowych zawierających dynamiczne wiązania kowalencyjne”.

Badania wstępne i wyjazd badawczy do TU Delft zrealizuje też dr inż. Mateusz Marcinkowski w ramach projektu pt. „Wpływ struktur wirowych na lokalną wydajność wymiany ciepła w wymiennikach ciepła z wykorzystaniem symulacji przepływu laminarnego CFD” (grant w wys. 8 250 zł).