Interakcja bioresorbowalnego materiału z tkanką w warunkach zmiennych odkształceń na przykładzie cewki moczowej
Fundator:
Narodowe Centrum Nauki - Konkurs Opus 11 DEC-2016/21/B/ST8/01972
Czas trwania:
2018-2021 r.
Cel:
Celem projektu było badanie interakcji stentu z tkanką w warunkach dużych odkształceń w środowisku moczu w tym określenie jego wpływu na zaburzenia mikcji oraz na powstawanie zwłóknienia tkanki nabłonkowej w kanale cewki moczowej. Poszukiwano materiału oraz konstrukcji resorbującego stentu, który spełnia zarówno kryteria mechaniczne, fizjologiczne, jak i medyczne. Prowadzono badania mające wyjaśnić jak zmiany wywołane odkształceniami cewki wskutek działania stentu wpływają na tempo resorpcji materiału na stent, oraz jak zmiany w składzie chemicznym materiału wpływa na charakterystykę mechaniczną i zdolność do pełnienia funkcji przez stent.
Skład zespołu:
- prof. dr hab inż. Romuald Będziński - Kierownik Projektu
- prof. dr hab. Agnieszka Noszczyk-Nowak (UPr)
- prof. dr hab. Urszula Pasławska
- dr hab. Jan P. Madej (UPr)
- dr hab. inż. Tomasz Klekiel, prof. UZ
- dr inż. Agnieszka Mackiewicz
- dr inż. Agnieszka Kaczmarek - Pawelska
- dr inż. Marek Malinowski
- mgr inż. Jagoda Kurowiak - doktorant
- mgr inż. Rafał Rudyk
- mgr inż. Karolina Winiarczyk
- mgr inż. Łukasz Zaręba
- lek. wet. Joanna Skonieczka-Kurpiel (UPr) - doktorant
- lek. wet. Marcin Michałek (UPr)
- lek. wet. Piotr Frydrychowski (UPr)
Publikacje:
- Kurowiak J., Mackiewicz A., Klekiel T., Będziński R. (2021) Alginian sodu jako biomateriał stosowany w leczeniu zwężenia cewki moczowej. w Osiągnięcia, wyzwania oraz problem nauk przyrodniczych i technicznych. wyd. Tygiel: 39-53.
- Skonieczka J., Madej J.P., Kaczmarek-Pawelska A., Bedzinski R. (2020) Histological and morphometric evaluation of the urethra and penis in male New Zealand White rabbits. Anatomia Histologia Embryologia, 50(4): September 2020
- Rudyk R., Malinowski M., Mackiewicz A., Bedzinski R., Noszczyk-Nowak A., Skonieczna J., Madej J.P., 2020. International Journal of Applied Mechanics and Engineering, 25(2), 130-141.
- Klekiel T., Mackiewicz A., Kaczmarek-Pawelska A., Skonieczna J., Kurowiak J., Piasecki T., Noszczyk-Nowak A., Bedzinski R., (2020), Novel design of sodium alginate based absorbable stent for the use in urethral stricture disease. Journal of Materials Research and Technology. 9(4): 9004-9015
- Mackiewicz A.G., Klekiel T., Kurowiak J., Piasecki T., Bedzinski R., Determination of Stent Load Conditions in New Zealand White Rabbit Urethra, J Funct Biomater, 2020 Sep 25,11(4): 70.
- Kurowiak J, Kaczmarek-Pawelska A,Mackiewicz A,Bedzinski R (2020) Analysis of the Degradation Process of Alginate-Based Hydrogels in Artificial Urine for Use as a Bioresorbable Material in the Treatment of Urethral Injuries.Processes 8(3): 304.
- Kaczmarek-Pawelska A (2019) Based Hydrogels in Regenerative Medicine. in Alginates Pereira L Cotas J (Ed.),IntechOpen Limited London Uk : 1-16.
- Skonieczna J, Madej JP, Będziński R. (2019) Accessory Genital Glands in the New Zealand White Rabbit: A Morphometrical and Histological Study. J. Vet. Res.; 63: 251?257.
- Kaczmarek-Pawelska A,Winiarczyk K, Mazurek-Popczyk J (2017) Alginate based hydrogel for tissue regeneration: Optimization antibacterial activity and mechanical properties.J.Achiev. Mater. Manuf. Eng. 81: 35-40.
W wyniku przeprowadzonych badań uzyskano szereg konstrukcji stentów spełniających kryteria wytrzymałościowe oraz pozostałe. Na rys. 1 przedstawiono jedno z szeregu otrzymanych rozwiązań. Zaprojektowana konstrukcja została wprowadzona do kanału cewki
a) b) c)
Rys. 1. Implantacja stentu: a) przekrój przez model stentu umieszczonego w kanale cewki moczowej, b) - obraz fluoroskopowy zaimplementowanego stentu w trakcie implantacji, c) - obraz fluoroskopowy zaimplementowanego stentu po rozszerzeniu.
Zaproponowano strukturę szkieletową stentu w której szkielet wykonany elastomeru o znacznej sztywności pokryty został warstwą alginianu sodu metodą zol-żel. Taka hybrydowa konstrukcja spełniła główne założenia konstrukcyjne pod względem wytrzymałościowym, ale główną zaletą zaproponowanego rozwiązania było uzyskanie konstrukcji umożliwiającej utrzymanie stentu w kanale cewki bez migracji a przede wszystkim uzyskane rozwiązanie pozwoliło na zmiany kształtu stentu pod działaniem napięcia wywołanego zaciskaniem się cewki. Jednocześni kształt stentów zapewnia przepływ moczu co potwierdzono zarówno w badaniach laboratoryjnych jak i modelowych. Zarówno badania doświadczalne jak i modelowe wykazały odpowiednią odkształcalność stentu, elastyczność oraz fakt, że zaproponowany kształt zapewnił drożność kanału cewki a także nie zakłócał procesu mikcji.
Zbudowano stanowisko do o symulacji przepływu moczu na którym prowadzono badania resorpcji oraz warunków przepływu. Opracowane stanowisko umożliwia przepływ moczu w określonych sekwencjach czasowych odpowiadających częstości napełniania i opróżniania pęcherza moczowego w warunkach rzeczywistych.
Wyniki uzyskane w projekcie pozwoliły opracować konstrukcje stentu odmienne od propozycji występujących w ofercie firm i stosowanych w praktyce medycznej. W zastosowaniach w leczeniu stenozy używa się zwykle stentów, które działają podobnie ja stenty kardiologiczne. Różnica polega na tym że naczynia krwionośne w mniejszym stopniu ulegają zmianom geometrii w związku z powyższym z powodzeniem można stosować technikę rozprężania stentów w kanale. Przeprowadzone badania wskazują, że lepsze efekty daje zastosowanie podatnych stentów, które dostosowują się do kształtu cewki pozwalając na ruchu zwężania i rozszerzania się kanału. W ten sposób tkanki zachowują elastyczność a ruchy sprzyjają procesom regeneracji. Szczegółowym badaniom poddano opracowany materiał bazujący na alginianie sodu. Materiał ten wykazuje dobre właściwości w kontakcie z tkanką w tym z tkanką podrażnioną , co wpływa na proces gojenia i regeneracji. Dzięki uzyskanym efektom projektu możliwe staje się wprowadzenie proponowanych rozwiązań do praktyki medycznej.
