1

RAPORT TEHNICO-ȘTIINȚIFIC FINAL

privind studiile şi cercetările efectuate în cadrul proiectului

„Implanturi cranio-faciale personalizate obţinute prin prototipare inovativă 3D din

materiale compozite ranforsate cu fibră de sticlă”- PECIFCO-

Cod proiect PN-II-PT-PCCA 2013-4-0917, Contract nr. 115/2014

Proiectul PECIFCO a reprezentat o cercetare nouă, care a avut ca și obiectiv general

elaborarea, realizarea şi experimentarea unor biomateriale compozite, avansate și inovative, care

sa servească la reconstrucţia defectelor osoase craniene bicorticale folosind implanturi

personalizate obținute printr-o nouă metoda de fabricaţie și anume, tipărire 3D indirectă.

Necesitatea de a folosi implanturi personalizate în rezolvarea unor cazuri complexe este

tot mai mult acceptată ca realitate a medicinii moderne, direcţie spre care ar trebui să evolueze şi

serviciile de asistenţă medicală oferite în ţara noastră. Implanturile personalizate, prin calităţile

lor morfologice şi funcţionale, sunt folosite ca să substituie osul pierdut/alterat ca urmare a

evoluţiei unei patologii traumatice, tumorale sau malformative.

În ciuda progreselor înregistrate în domeniul chirurgiei reconstructive în ultimele

decenii, refacerea structurilor osoase ale complexului cranio-facial, afectate patologic, rămâne o

perpetuă provocare, cu atât mai mult cu cât deficitele morfo-funţionale pe care le antrenează la

nivelul unui segment anatomic extrem de expus, alterează semnificativ calitatea vieţii.

În urma cercetărilor realizate în cadrul proiectului PECIFCO s-a dezvoltat un material

inovativ – material compozit armat cu fibre de sticlă - care satisface toate criteriile de

biocompatibilitate, dar şi cele cerute de specificul reconstrucţiei osoase cranio-faciale

(elasticitate, greutate specifică, conductibilitate termică etc). Folosind pachete de programe

informatice dedicate şi tehnologii moderne de CAD/CAM, rapid prototyping şi fabricare aditivă,

materialul compozit dezvoltat a putut fi modelat tridimensional complex şi transformat în

implanturi personalizate.

Obiectivele specifice propuse spre rezolvare în proiectul PECIFCO, s-au derulat pe

parcursul a 39 de luni şi au inclus patru etape:

Obiective prevăzute Obiective realizate Gradul de atingere a

rezultatelor estimate

Studierea şi selectarea componentelor compozit/fibră

de sticlă/adeziv şi a mecanismului de ranforsare

da 100%

Determinarea citotoxicităţii componentelor

biocompozitelor

da 100%

Cercetări privind producerea implanturilor realizate

din noi biomateriale polimerice utilizând modele

fabricate prin tehnici de RP (rapid prototyping)

da 100%

2

Studii de fezabilitate pentru implanturile FRC (fibre-

reiforced composite) concepute pentru reconstrucția

osoasă

da 100%

Elaborarea de modele experimentale animale pentru

defecte cranio-faciale

da 100%

Realizarea modelului virtual al defectului osos şi a

implantului la modelul animal

da 100%

Caracterizarea fizico-chimică a noilor biomateriale

FRC

da 100%

Crearea modelelor master experimentale prin

tehnologii FRP

da 100%

Studii de piaţă pentru noile biomateriale compozite da 100%

Testarea biocompatibilităţii materialelor FRC da 100%

Testarea biocompozitelor selectate anterior în

instalaţia de laborator

da 100%

Testarea comportamentului biologic al materialelor

FRC utilizate pentru reconstrucţia defectelor osoase

da 100%

Optimizarea parametrilor de producţie a implantelor

FRC, pentru echipamentele şi tehnologiile de Rapid

Tooling (RT)

da 100%

Producerea de implante din FRC prin „rapid

prototyping”

da 100%

Demonstrarea functionalităţii şi utilităţii noilor

biomateriale FRC pentru reconstrucţia defectelor

mari cranio-faciale

da 100%

Elaborarea documentaţiei tehnice pentru fabricarea

rapidă a modelelor şi matriţelor

da 100%

Elaborarea specificaţiei tehnice a materialelor şi

metodelor

da 100%

Realizarea prototipului pentru implantul personalizat

de tip compozit armat cu fibre de sticlă în vedea

utilizării acestuia în reconstrucţia defectelor osoase

craniofaciale

da 100%

Elaborarea unui brevet de invenţie da 100%

Diseminarea rezultatelor cercetării da >100%

Toate obiectivele specifice şi activităţile prevăzute în Planul de Realizare a proiectulului

PECIFCO au fost realizate integral. Gradul de atingere a rezultatelor estimate a fost de 100%

cu excepţia rezultatelor referitoare la numărul de articole ISI publicate, unde a fost de peste

100% (5 articole ISI cu factor de impact și 2 articole ISI proceedings, faţă de 3 prevăzute).

3

Activităţile de cercetare derulate în cele 39 de luni, au parcurs succesiunea logică a etapelor

de cercetare necesare pentru elaborarea, caracterizarea și experimentarea noilor biomateriale

compozite. Atât materialul în sine, cât și metoda de fabricaţie prin tipărire 3D indirectă, a

implanturilor personalizate din materialele compozite ranforsate cu fibră de sticlă nou elaborate

au reprezentat rezultatele semnificative ale proiectului PECIFCO și fac obiectul revendicărilor

incluse în cererea de brevet de invenție înaintată la OSIM A 00607/2017.

În cele ce urmează, prezentăm sumar rezultatele obţinute pe durata proiectului.

A. Elaborarea, caracterizarea și experimentarea unor noi materiale compozite

ranforsate cu fibră de sticlă, destinate fabricării de implanturi craniene personalizate

Pentru confecţionarea materialului compozit ranforsat cu fibră de sticlă (FRC) folosit ca

implant cranian se parcurg următoarele etape

1) Obţinerea răşinii de impregnare prin amestecarea matricei organice cu nanoumplutura

de hidroxilapatită, oxidul de zirconiu şi gentamicina

2) Obţinerea FRC prin procedeul de laminare;

3) Întărirea (polimerizarea) FRC în cuptorul electric la 100 grade Celsius

4) Îndepărtarea monomerului rezidual prin extracţia acestuia în solvent (alcool etilic sau

acetonă).

A.1. Conform cercetărilor efectuate, răşina de impregnare este alcatuită din:

a) 15-75% amestec de oligomeri dimetacrilici de tip Bis-GMA (2,2-bis[4-(2-hidroxi-3-

metacriloxipropoxi)fenil]-propan -Bis-GMA0 monomer 93%, Bis-GMA1 dimer 7%), notat cu

Bis-GMA1,2 obţinut conform metodei descrise anterior [ RO 127617 B1]:

pentru n=0 Bis-GMA0

n=1 Bis-GMA1

b) 10-75% monomer uretan dimetacrilic (1,6-bis(metacriloxi-2-etoxi-carbonilamino)-2,4,4-

trimetilhexan (UEDMA)

4

c) 0-40% dimetacrilat de trietilenglicol (DMTEG)

d) 0-40% 2-hidroxietil metacrilat (HEMA)

e) 0-20% polimetimetacrilat (PMMA)

f) 4-20% Hidroxiapatita

g) 5-20% Oxid de zirconiu (ZrO2)

h) 10-30% Gentamicina

i) aditivi: 0,5-1,5%, iniţiator de polimerizare de tip peroxid de benzoil (POB); 0,1-1,5%,

inhibitor de polimerizare butilat hidroxitoluen (BHT) si 0,1-015% stabilizator UV Chimassorb

81, cantităţile procentuale ale aditivilor fiind calculate faţă de amestecul de monomeri, iar

procentele fiind exprimate în greutate.

Matricea organică constituită din monomerii metacrilici aleşi dintre Bis-GMA1,2;

UEDMA, TEGDMA, HEMA precum şi polimerul PMMA se amestecă cu Hidroxilapatita,

Oxidul de zirconiu şi Gentamicina sub malaxare continuă, 2 ore la temperatura camerei, în

malaxorul de amestecare, până la omogenizare completă. Răşina rezultată este folosită pentru

impregnarea ţesăturii de fibră de sticlă.

A.2 Obţinerea FRC prin procedeul de laminare. Din răşina de impregnare şi ţesătura de

fibră de sticlă preimpregnată cu un silan cu grupa metacriloiloxi: 3-metacriloiloxipropil-1-

trimetoxisilan (A-174) (ţesăturile din fibră de sticlă E 300 g/m2 (T1) si Twill 200 g/m

2 (T4) ) se

confecţionează FRC prin tehnica laminării. Peste un strat de răşina se aşează un strat de ţesătură

de fibră de sticlă, apoi un nou strat de răşină, peste care se aşează un alt strat de ţesătură ş.a.m.d.

până la atingerea înalţimii dorite.

După realizarea laminatului, acesta se introduce într-un cuptor electric pentru întărire

(polimerizarea monomerilor). În final rezultă implantul confecţionat din compozit armat cu

ţesătură de fibră de sticlă (FRC).

DMTEG

5

Materialul compozit armat cu fibre de sticlă destinat reconstrucţiei defectelor osoase

craniene este constituit din 20-70% răşina de impregnare definită anterior şi 30-80%ţesătura

de sticlă E (Twill 200 g/m2

sau 300 g/m2).

S-au realizat și testat ulterior multiple formulări de material compozit care respectă aceste

specificații, în vederea alegerii celei mai favorabile compoziții care să respecte criteriile de

biocompatibilitate, dar și cele legate de specificul reconstrucției craniene (rezistență mecanică,

conductibilitate termică, greutate specifică etc. Implantul pe baza de FRC, se extrage în alcool

etilic (sau acetonă) timp de 24 ore la temperatura camerei, în vederea îndepărtării monomerului

rămas nereacţionat (monomer rezidual).

Tabel I. Compoziţia FRC utilizate în studiu

A.3. Pentru determinarea monomerului rezidual din FRC, extractele au fost evaporate

la vid şi rezidiul a fost dizolvat în 1,5 ml acetonitril. Aparatura: Monomerul rezidual a fost

înregistrat pe un cromatograf lichid de înaltă performanţă HPLC Agilent 1200. Metoda: S-a

folosit faza mobilă ACN (A), H2O (B) gradient, iniţial A (50%)-B (50%) final A(80%)- B(20%)

în timp de 15 minute, şi faza staţionară: coloana LICHROSORB RP 18, 5, 25x0,46 cm

(TRACER, TEKNOKROMA), temperatura 210C, Detecţie DAD la 195nm (monomeri tip Bis-

GMA) şi 203 nm (HEMA si TEGDMA, UEDMA). Monomerul rezidual se exprimă ca procent

de monomer rămas nereacţionat (Bis-GMA1,2 sau TEGDMA etc), raportat la cantitatea de

monomer corespunzător introdus în răşina de impregnare iniţială.

FRC

(R/T)

Bis-

GMA1,2

%

UEDMA

%

DMTEG

%

HEMA

%

Hap

%

BaSO4/

ZrO2

%

Tesatura de

fibra de sticla

%

FRC1 R1/T1 17,5 - 10,5 - 3,5 3,5 65%

FRC2 R2/T1 17,5 - - 10,5 3,5 3,5 65%

FRC3 R3/T1 3,5 17,5 7 - 3,5 3,5 65%

FRC4 R4/T1 3,5 17,5 - 7 3,5 3,5 65%

FRC5 R3/T3 4,5 22,5 9 - 4,5 4,5 55%

Proba Bis-GMA %

extras din

TEGDMA %

extras din

UEDMA %

extras din

HEMA %

extras din

Proba

initiala

Monomer

initial

Proba

initiala

Monomer

initial

Proba

Initiala

Monomer

initial

Proba

initiala

Monomer

initial

FRC 1/ R1T1 0,008 0,041 0,094 0,670 - - - -

FRC2/ R2T1 0,054 0,261 - - - - 0,050 0,359

6

Tabel II. Monomerul rezidual extras din compozitele experimentale raportat la masa iniţială a

probelor de compozit

Cea mai mică cantitate de monomer rezidual se extrage în cazul compozitului FRC 3, iar

cea mai mare, în cazul compozitului FRC 4. Dintre aceştia, în cadrul aceleiaşi probe, UDMA şi

HEMA se extrag în cantitatea cea mai mare, urmând apoi monomerul TEGDMA, iar cel mai

puţin se extrage amestecul de oligomeri Bis-GMA1.2. Această comportare se poate explica ţinând

cont de caracterul hidrofil şi respectiv de mărimea şi flexibilitatea moleculelor specifice fiecărui

monomer în parte, dar şi de gradul de reticulare a fiecărei reţele polimerice în parte. HEMA şi

UDMA fiind monomeri hidrofili, flexibili, se pot extrage uşor într-un mediu hidrofil (apa,

alcool). TEGDMA este un monomer alifatic cu grupări eterice relativ flexibile, mai puţin

hidrofil, în schimb oligomerii Bis-GMA1.2 au molecule mari, rigide cu caracter hidrofob mai

pronunţat decât ceilalţi monomeri, ceea ce conduce la o cantitate mult mai mică de monomer

extras. Faptul că din FCR 3 se extrage o cantitate mult mai mică de monomer în comparaţie cu

celelalte compozite armate cu fibre de sticlă denotă faptul că gradul de reticulare a matricii

polimerice FRC 3 este cel mai mare. Rezultatele obţinute se situează peste valorile obişnuite

raportate în literatura de specialitate şi se datorează nu doar formulării amestecurilor de răşini, ci

şi particularităţilor procesului de polimerizare.

Ţinând cont de scopul de a obţine implanturi personalizate, cu forme şi dimensiuni

particulare, şi care să servească reabilitării morfo-funcţionale a defectelor osoase maxilo-faciale,

s-a concluzionat că răşina R3 are cea mai favorabilă formulare. Acest rezultat urmează să fie

validat în studiile care urmăresc reacţia biologică a materialelor, atât in vitro, asupra două linii

celulare diferite cât şi in vivo, asupra ţesuturilor subcutanat, muscular şi osos.

A.4. Pentru determinarea cantitativă a eliberării de gentamicină din FRC s-a utilizat o

metodă lichid cromatografică (HPLC) cu derivatizare pre-coloană utilizând fenilizocianatul ca

agent de derivatizare. FRC sub forma de pastilă cu diametrul 15 mm au fost introduse în flacoane

de PVC cu capac, în 3 ml de soluţie de extracţie PBS (Phosphate Buffered Saline) cu pH 7,4 şi

incubate la o temperatură de 37 °C timp de 24 h. S-au colectat soluţii de extracţie la fiecare 24 h

timp de 30 zile. Soluţiile colectate se păstrează la congelator (-20°C) până la analiza HPLC a

acestora, în vederea determinării cantităţii de gentamicină eliberată. Aparatura: Lichid

Cromatograf de Înaltă Performanţă Agilent Technologies 1200, Autosampler ALS G 1329 A;

Degazor G 1322 A; Pompa cuaternară G 1311 A; Termostat TCC SL G 1316 B; Detector cu şir

de diode (DAD) G 1315 D; Software ChemStation; pH-metru 211 HANNA Instruments cu

microprocesor. Coloana cromatografică: Phenomenex Gemini 5u C18 110A, 250x4.6mm.

Aparat pentru obţinere apă ultrapură MilliQ Simplicity. Baie de apă cu termostat. Reactivi:

acetonitril de uz cromatografic (Optigrade Promochem, Germany), trietilamină

FRC 3/ R3T1 0,001 0,031 0,008 0,057 0,031 0,179 - -

FRC4/ R4T1 0,032 0,932 - - 0,307 1,759 0,110 0,780

FRC5/ R3T3 0,016 0,357 0,037 0,208 0,142 0,636 - -

7

(TEA,Triethylamine, Fluka, Germany), fenilizocianat (PIC, Phenylisocyanate, Fluka, Germany).

Gentamicină sulfat. Metoda HPLC: Faza mobilă: acetonitril: apă (50:50 v/v). Faza mobilă se

filtrează şi se degazează printr-un filtru membrană de 0.45 μm; Debit 1,5 ml/min, temperatura 25

°C, DAD, = 240nm; Soluţie stoc gentamicină 1mg/ml; Soluţie TEA: 5mg/ml acetonitril;

soluţie PIC 5mg/ml acetonitril; Derivatizare: 500 µl soluţia gentamicină se amestecă cu 250 µl

TEA şi apoi cu 250 µl PIC, la temperatura camerei. Pentru calibrare s-au preparat soluţii de

gentamicină în PBS în domeniul 500-3.125 µg/ml.

În fig. 1 este prezentată cromatograma unei probe de extracţie după 24 h/ziua 1.

Fig. 1. Cromatograma unei probe de extract de gentamicină după 24h- ziua 1

În figura 2 este redată diagrama reprezentând evoluţia zilnică a gentamicinei dintr-una

dintre pastilele de FRC luate în studiu.

Fig. 2. Diagrama cu cantitatea de gentamicină eliberată pe o perioadă de 14 zile,

din pastila FRC

Eliminarea gentamicinei de la nivelul pastilelor de FRC se produce în cantităţi mari în

primele trei zile, urmând ca din ziua a patra, valorile să descrească şi să se menţină aproape în

platou până în ultima zi în care s-au făcut dozări (ziua 14). Efectul antimicrobian se menţine

astfel în timp, putând să prevină şi postoperator contaminarea microbiană a implantului și să

reducă rata infecţiilor în chirurgia reconstructivă a masivului facial.

8

A.5. Pentru determinarea efectului FRC asupra viabilităţii celulare in vitro s-au

preparat probe compozite rotunde, cu diametrul de 6, subţiri (0,5mm). Probele au fost imersate

timp de 24 ore în alcool etilic 70% pentru a elimina monomerul rezidual, apoi incubate cu

mediul de cultură (DMEM suplimentat cu 5% ser fetal de viţel, 50 µg/ml gentamicină şi 5 ng/ml

amfotericină (Biochrom Ag, Berlin, Germany) la 37°C , 5% CO2 şi atmosferă umidificată) în

proporţie de 1ml mediu/3cm2 suprafaţa probă compozită, timp de 24 şi 72 ore. Mediul de cultură

condiţionat a fost apoi filtrat steril şi folosit pentru expunerea culturilor de celule- celule stem din

pulpa dentară (Institutul Oncologic Cluj-Napoca) şi fibroblaste dermice umane (Promocell,

Hamburg, Germany). Viabilitatea a fost măsurată prin determinarea colorimetrică a unui compus

colorant - formazan, generat de celulele viabile, folosind CellTiter 96® AQueous Non-

Radioactive Cell Proliferation Assay (Promega Corporation, Madison, SUA). Culturile netratate

expuse mediului au fost utilizate drept grup de control. FRC a determinat menţinerea şi chiar

stimularea viabilităţii celulare in vitro. După expunerea la mediu condiţionat 24h şi respectiv 48h

cu FRC, viabilitatea fibroblastelor dermice umane a crescut cu până la 14%, iar viabilitatea

celulelor stem din pulpa dentară a fost crescută cu 14-19%.

A.6. Pentru caracterizarea reacţiei FRC asupra ţesuturilor vii au fost folosite teste de

implantare. S-au realizat epruvete de FRC destinate implantării subcutanate, intramusculare şi

respectiv intraosoase, respectând recomandările ISO în vigoare. Experimentele in vivo au fost

realizate pe loturi de şobolani masculi, rasa Wistar, 300-350 g, provenind de la Biobaza

Universităţii de Medicină şi Farmacie “Iuliu Haţieganu” Cluj-Napoca. Studiile animale au fost

efectuate respectând normele impuse şi având avizul prealabil al Comisiei de Bioetică a

Universităţii de Medicină şi Farmacie “Iuliu Haţieganu” Cluj-Napoca. Înainte de intervenţia

propriu-zisă, animalele au fost anesteziate prin injectare intraperitoneală de ketamină HCl (50

mg/kg) şi xilazină (7 mg/kg). Implantarea epruvetelor s-a realizat respectând normele de asepsie

şi antisepsie pentru a se evita contaminarea suplimentară a plăgilor şi care ar fi putut denatura

rezultatele studiilor efectuate. Epruvetele au fost implantate subcutanat toracic (implantare

subcutanată), în musculatura jumătăţii superioare a membrului inferior stâng (implantare

intramusculară) şi respectiv la nivelul canalului medular al femurului posterior stâng (implantare

intraosoasă). De-a lungul perioadei de desfăşurare a experimentului s-au urmărit reacţiile locale

care au apărut la locul de implantare, precum şi impactul acestora asupra stării generale a

animalelor de experienţă. La sfârşitului perioadei de studiu, toate animalele au fost sacrificate

prin dislocaţie cervicală după prealabila anestezie, aşa cum a fost reglementat de către Comisia

de Etică. Epruvetele s-au recoltat în bloc cu ţesuturile adiacente. Piesele recoltate au fost

examinate din punct de vedere macroscopic şi ulterior preparate în vederea examinării

microscopice.

Testele de implantare certifică reacția inflamatorie în limite fiziologice pe care o produc

biocompozitele asupra țesuturilor vii. Prezența capsulei subțiri, dar bine organizate, în jurul

acestor materiale permite ca ele să fie incluse în categoria de materiale netoxice și inactive. Mai

9

mult decât atât, capsula formată în jurul biomaterialelor implantate endoosos, suferă la rândul

său un proces de osificare.

În concluzie, biocompozitele polimerice armate cu fibre de sticlă sunt potrivite din punct

de vedere biologic pentru a fi utilizate ca și substituenți osoși în reconstrucția defectelor

scheletice din teritoriul cranio-maxilo-facial.

A.7. Analiza morfologică de suprafaţă a materialelor compozite armate cu fibre de sticlă

prin tehnici de microscopie elecronică de baleiaj şi microscopie de forţă atomică a relevat

rugozitatea minimală a acestora, cu diferenţe de nivel de maxim 30 nm. Tehnica laminării

folosită în fabricarea materialelor compozite (descrisă la metodologia generală) a permis

obţinerea unor suprafeţe netede, fără defecte, care copiază geometria matriţelor. Materialul de

armare este bine încorporat în matricea polimerică, astfel încât nu se observă monofilamente din

fibră de sticlă pe suprafaţa materialului. Eventuala prezenţă a acestora ar fi putut avea efecte

negative, prin iritaţie mecanică asupra ţesuturilor vii.

A.8. Analiza structurală a materialelor compozite armate cu fibre de sticlă a evidenţiat

următoarele aspecte. Calitatea interfeţei dintre armătură şi matricea organică (obţinută prin

utilizarea silanului A 174) este foarte bună şi îşi dovedeşte valoarea în momentul în care

epruvetele de materiale compozite sunt supuse forţelor de încovoiere: delaminarea fibrelor de

sticlă este parţială, urme de matrice polimerică fiind identificabile pe suprafaţa acestora.

Rezistenţa la încovoiere a materialelor compozite direct este influenţată de gradul de armare, aşa

cum arată şi alte studii din literatura de specialitate. Totuşi, trebuie ţinut cont de faptul că în

cazul gradelor mari de armare, fibrele de sticlă pot rămâne “prea sărace“, ceea ce conduce la

defecte structurale. Mai mult decât atât, având în vedere domeniul de aplicare a materialelor

dezvoltate, nu este nevoie ca rezistenţele mecanice / modulul lui Young să aibă valori foarte

mari. Pentru gradul de armare de 60%, rezistenţa mecanică la încovoiere depăşeşte oricum pe cea

a structurilor osoase umane.

A.9. Proprietăţile mecanice ale materialelor compozite sunt influenţate şi de arhitectura

armăturii. Unele dintre țesăturile folosite în acest studiu au avut bătătura şi urzeala în proporţii

egale, dispuse perpendicular una faţă de cealaltă. O astfel de ţesătură este favorabilă pentru

fabricarea reperelor cu o geometrie complexă, la care solicitările nu sunt doar unidirecţionale sau

doar bidirecţionale, aceste solicitări putând fi complexe. În cazul materialului cu fibre

unidirecţionale, toate monofilamentele sunt dispuse pe direcţia solicitării, dacă este o solicitare

unidirecţională (tracţiune, încovoiere sau compresiune). Acest lucru face ca valorile rezistenţei

specifice ale materialului să aibă valori duble faţă de un material similar, dar armat cu ţesături,

caz în care, doar jumătate din cantitatea de fibre înglobate, preiau solicitarea respectivă.

Având în vedere rezultatele obţinute, se deschide perspectiva continuării studiilor pentru

ameliorarea proprietăţilor mecanice, astfel încât acestea să fie cât mai apropiate de cele ale osului

uman, pornind de la aspectele deja demonstrate: armătura folosită să fie sub formă de ţesătură,

iar gradul de armare să nu depăşească 60%.

10

B. Elaborarea și optimizarea tehnologiei de fabricație a implanturilor personalizate din

materiale compozite armate cu fibră de sticlă. Validarea experimentală in vivo a

reconstrucției osoase craniene folosind implanturi personalizate folosind materialul și

tehnologia nou dezvoltate

Pentru obţinerea implanturilor personalizate s-a dezvoltat o metodă de fabricaţie prin

tipărire 3D indirectă, a cărei noutate se referă la 3 aspecte principale:

B.1. Metoda de fabricaţie a matriţelor din materiale compozite prin tipărire 3D indirectă, se

poate utiliza la fel de bine şi pentru a obţine organe anatomice cu ţesuturi moi, aşa cum este

prezentat exmplul unui rinichi, ilustrat în figura 3

Fig. 3. Model master. Stabilirea planului de separație

Metoda dezvoltată şi testată de autori se numeşte tipărire 3D indirectă, pentru că se

fabrică doar modelul master (pozitivul) prin tipărire 3D directă (SLS), urmând ca matriţele

(negativul) din materiale compozite, să fie fabricate utilizând modelele master anatomice.

Autorii au testat această metodă de realizare a matriţelor, conţinând următoarele etape:

1.1. Evaluarea modelului master şi stabilirea planului de separaţie (care să permită

dezasamblarea matriţei în vederea extragerii cât mai uşoare a implantului din matriţă).

1.2. Fixarea modelului master şi a planului de separaţie pe o placă de bază

1.3. Aplicarea stratului demulant corespunzător, care realizează o peliculă foarte subţire ce face

ca materialul compozit să nu adere la suprafaţa modelului master.

1.4. Aplicarea straturilor din material compozit, aşa cum este ilustrat în figura 4. Primul strat

aplicat pe modelul master este un amestec de răşina epoxidică în amestec cu 47% pulbere de

aluminiu. Acest amestec realizează interfaţa matriţei, respectiv partea activă a matriţei. Rolul

pulberii de aluminiu este de a elimina bulele de aer din răşina epoxidică şi de a realiza un strat de

care materialele compozite biocompatibile formate în matriţa să nu adere, aluminiul fiind un

oxidant foarte puternic. Peste stratul de amestec se depun apoi un strat de răşină şi apoi straturile

de ţesătură de fibră de sticlă. Compozitul depus este introdus într-o etuvă pentru polimerizare la

11

temperatura de 60º C timp de minim 4 ore apoi 8 ore la 130o C. După polimerizarea în etuvă,

matriţa a fost lăsată timp de 24 de ore pentru o răcire lentă în etuvă.

Fig. 4. Depunerea straturilor de gelcoat şi a celor de ţesătură de fibră de sticlă

1.5. Înlăturarea modelului master, a bavurilor şi a planului de separatie, pentru obţinerea

semimatriţei inferioare, aşa cum este ilustrat în figura 5. Pentru fabricarea semimatriţei

superioare, se repetă analog operaţiile (1.1. ... 1.5).

Fig. 5. Matrița realizată din material compozit pentru modelul master rinichi uman și respectiv implant osos

cranian

B.2. Metoda de calibrare a grosimii implanturilor cranio-faciale din compozite, prin presare în

matriţe obţinute prin utilizarea modelului master fabricat prin tipărire 3D directă.

Autorii au analizat mai multe variante şi posibilităţi de armare cu fibre a noilor biomateriale

polimerice, din care trebuie fabricate implanturile cranio-faciale personalizate. S-au testat mai

multe metode de obţinere a unui grad optim de armare a noului compozit. S-a incercat şi varianta

de introducere în cuptor, cu scopul reducerii fluiditaţii raşinii, pentru a permite introducerea

plăcii compozite nou formate în matriţe, pentru calibrarea grosimii implanturilor cranio-faciale

fabricate din noile materiale compozite.

2.1. Formarea şi vacuumarea plăcilor, din noul compozit biocompatibil. Cele două componente

ale noii răşini biocompatibile (POB si DHEPT), nu se pot amesteca (din cauza pericolului de

explozie) şi ca urmare s-au depus în straturi alternative, între straturile de ţesătură. Problema

dificilă, în cadrul acestei metode de formare este neuniformitatea grosimii celor două

componente ale răşinii. Figura 6 ilustrează modul de depunere a straturilor succesive, a celor 2

12

componente ale răşinii (separate de câte un strat de armare) şi modul de înlăturare, prin

vacuumare, a excesului de răşină.

Fig. 6. Formarea şi vacuumarea plăcilor, din noul compozit biocompatibil

2.2. Calibrarea grosimii implanturilor cranio-faciale din compozite, prin presare în matriţe.

Plăcile nou formate s-au introdus în cuptor (la 85°C) şi au fost menţinute la această temperatură

o durată de 30 minute, cu scopul reducerii fluidităţii răşinii. Astfel s-au adus într-o stare

maleabilă şi au putut fi presate în matriţe pentru calibrarea grosimii necesare implanturilor

cranio-faciale respective. Polimerizarea s-a efectuat la 120°C, cu menţinere de 120 minute în

cuptor.

2.3. Tăierea precisă a conturului exterior al implanturilor cranio-faciale personalizate, prin tăiere

cu jet de apă. Noul material compozit biocompatibil din care s-au fabricat implanturile medicale

este foarte dur şi nu s-au putut utiliza tehnologiile clasice de tăiere sau frezare, pentru a obţine

conturul exterior al implanturilor, cu precizia necesară. De aceea, a fost necesară o metodă

inovativă de tăiere, prin care s-a tăiat cu jet de apă (Omax, USA) aproape integral conturul

exterior al implantului, lăsând doar 2 punţi, care au fost secţionate manual, la final. Aceste punţi

au fost necesare pentru a nu se desprinde implantul în cursul procesului de prelucrare. Figura 7

ilustrează decuparea precisă prin tăiere cu jet de apă a implanturilor personalizate, din noile

materiale biocompatibile, pentru modelul experimental animal.

Fig. 7. Decuparea precisă a implanturilor personalizate,

prin tăiere cu jet de apă (OMAX) și verificarea adaptării pe modelul master

B.3. Metoda de proiectare şi fabricaţie a şabloanelor necesare producerii defectelor osoase

experimentale, la specia de laborator, adecvate implanturilor cranio-faciale personalizate, pentru

a putea fixa implantul prin presare uşoară, în timpul experimentului animal necesar testării

metodei.

Şabloanele necesare pentru decuparea defectului osos, sunt foarte importante pentru

reuşita operaţiei de implantare şi implicit pentru testarea noilor implanturi pe model experimental

animal. Pentru proiectarea şabloanelor, s-a ţinut cont de lăţimea instrumentului de tăiere, de

forma şi dimensiunile şabloanelor fabricate, dar şi de metoda de fixare a implanturilor, prin

13

presare uşoară. Dimensiunea calotei tăiate, trebuie să aibă conturul interior identic, cu conturul

exterior al implantului respectiv. Proiectarea şabloanelor s-a efectuat în sistemul CAD Creo-

Parametric, pornind de la modelul 3D al implantului respectiv, al cărui contur exterior a fost

mărit (“offset”) cu 0.65 mm ( lăţimea lamei de tăiere utilizate ), pentru a obţine conturul interior

al şablonului corespunzător implantului respectiv. Figura 8 ilustrează şabloanele proiectate şi

fabricate prin 3D printing (SLS) la UTCN.

Fig. 8. Proiectarea şi fabricaţia şabloanelor, prin tipărire 3D (SLS)

Pentru validarea in vivo a calităţii reconstrucţiei defectelor calvariale critice s-a realizat

un experiment animal. Pentru specia Oryctolagus cuniculus, rasa New Zeeland White Rabbit, s-

a realizat un model de defect osos calvarial de dimensiune critică - defect care nu se poate

regenera spontan (fig. 9).

Fig. 9- Modelul virtual al defectului osos al calotei craniene, în formă complexă

Acest model se caracterizează prin aceea că: are formă complexă (neîncadrabilă în

formele geometrice clasice), este extins dimensional în sens sagital fronto-parieto-occipital, pe o

lungime de 2,1cm, lăţimea maximă a defectului este de 1,9 cm, totalizând o arie de 3,82 cm2.

Defectul propus se deosebeşte de alte modele prezentate în literatură, atât prin formă, cât şi prin

localizare şi dimesiuni.

Implantul a fost conceput astfel încât să reconstruiască fidel forma tridimensională a

calotei craniene excizate iniţial şi să intre în contact intim cu marginile defectului osos produs.

Pentru a realiza osteotomia calotei craniene la animalele de experienţă, care să respecte

întocmai dimensiunea şi forma implantului personalizat ce va fi implantat, s-au conceput

14

şabloane de tăiere care să ghideze osteotomia. Aceste şabloane au prezentat la interior defectul

osos de reprodus (fig. 10, fig 11).

Fig. 10. Modelul virtual al implantului personalizat Fig. 11. Șablonul de tăiere pentru ghidarea

osteotomiei proiectat virtual

Pentru realizarea studiului s-au utilizat un număr de 12 iepuri, masculi, adulţi de 3.5 – 4.0

kg din rasa New Zeeland. De-a lungul perioadei de desfăşurare a experimentului s-au urmărit

reacţiile locale care au apărut la locul de implantare, precum şi impactul acestora asupra stării

generale a animalelor de experienţă.

La o lună după implantare şi respectiv la 3 luni (la sacrificare) s-au realizat examinări

computer tomografice cu fascicol conic ale zonei reconstruite. La momentul sacrificării, s-a

recoltat un bloc os din calvarie cu implantul în poziţie şi s-a efectuat microCT pentru

determinarea densităţii minerale osoase peri-implantare şi a porozitatii osoase peri-implantare

(indicatori ai sănătăţii osului). Piesele recoltate au fost examinate histologic, pentru a studia

reacţia ţesuturilor osoase la aplicarea implantului confecţionat din materialul compozit nou

dezvoltat.

Implantarea piesei de reconstrucţie a defectului osos cranian a fost bine tolerată de toate

animalele incluse în acest studiu, perioada de convalescenţă a fost scurtă şi fără semnificaţie

clinică. După aplicarea implantului, niciun animal nu a prezentat modificări ale statusului general

care să poată fi remarcate. Vindecarea tegumentului din zona de implantare s-a produs fără

complicaţii, cu exceptia unui singur subiect care a prezentat serom fronto-pariental şi care

ulterior s-a suprainfectat, acesta aparţinând grupului martor, implantat cu titan. Pentru

implanturile confecţionate din FRC nu au fost evidenţiate fenomene de rejet, inflamaţie septic /

aseptică. S-au recoltat în bloc fragmente osoase craniene, menţinând implantul în poziţie, pentru

examenul histopatologic.

Examinarea CBCT atât la 1 lună, cât şi la 3 luni postoperator, a relevat osteoacceptarea

implanturilor din material compozit. Nu s-au decelat zone periimplantare de inflamaţie sau

rezorbţie osoasă.

Prin evaluarea microtomografică a fragmentelor de os recoltate s-a putut identifica

morfologia corticalei osoase în toată grosimea ei peri-implant, prin secţiuni coronale, sagitale şi

transaxiale. Osteointegrarea implanturilor cu FRC nu a putut fi observată în probele recoltate la o

lună după implantare. Totuşi, acestea erau în continuare fixate în defectul osos realizat, iar peri-

implantar nu s-a identificat reacţii de osteoliză sau osteonecroză. S-au identificat diferenţe

15

morfologice şi a densităţii minerale osoase semnificative între loturile experimentale faţă de cele

martor reprezentat de implantul de titan medical. Determinarea densităţii minerale osoase

(BMD), exprimată în procente, a permis aprecierea statistică cantitativă a variaţiilor BMD din

regiunile periimplantare a loturilor experimentale faţă de loturile martor. Astfel, BMD peri-

implantar a lotului experimental a relevat faptul că aceasta a avut valori similare cu lotul martor

(1.250 ± 0.02512 în lotul cu titan medical; 1.203 ± 0.02496 în lotul cu FRC, 1.406 ± 0.001489

pentru corticala martor).

Examenul histopatologic al preparatelor tisulare a pus în evidenţă prezenţa de os corticalizat

periimplantar, aspect care subliniază biocompatibilitatea implanturilor confecţionate din materialul

compozit dezvoltat. La nivel de microscopie optică, nu s-au decelat zone de rezorbţie sau necroză

osoasă (absenţa infiltratului inflamator periimplantar, absenţa osteoclastelor), implanturile fiind bine

tolerate.

Concluziile generale rezultate în urma derulării proiectului PECIFCO evidenţiază

următoarelele aspecte importante:

Noile metode de fabricaţie rapidă prin tipărire 3D indirectă se pot utiliza cu success,

pentru a obţinerea de implanturi cranio-faciale personalizate, din materiale compozite

ranforsate cu fibră de sticlă;

Rezultatele testelor au fost bune şi s-a validat metoda de obținere a implanturilor

personalizate prin prototipare rapidă

S-a obţinut o calitate bună a reconstrucției în ceea ce privește suprafața și volumul

Noile materiale compozite sunt bine tolerate din punct de vedere biologic, fără semne de

inflamație/ rejet şi fără modificări ale statusului general si/sau neurologic al animalelor

Biocompozitele polimerice armate cu fibre de sticlă sunt potrivite, atât din punct de

vedere biologic, cât și mecanic, pentru a fi utilizate ca și substituenți osoși în

reconstrucția defectelor scheletice din teritoriul cranio-maxilo-facial.

C. Impactul proiectului PECIFCO

C.1. Diseminarea rezultatelor cercetării

Prezentări orale și poster

1. Popan A, Bâlc N, Carean A, Luca A, Miron A. Research on Abrasive Water Jet Milling of

The Planar Surfaces, Slots and Profiles, ICAMaT 2014 - 7th International Conference on

Advanced Manufacturing Technologies, Bucureşti, România, 23-24 October 2014

2. Lazăr MA, Prejmerean C, Baldea I, Bâlc N, Rotaru H. Development of new fiber reinforced

composites to serve cranial bone reconstruction, Napoca Biodent International Symposium

of Dentistry, Cluj-Napoca, România, 2015.

3. Lazăr MA, Băciuț M, Bran S, Berce C, Băciuț G, Rotaru H, Roman R, Armencea G,

Prejmerean C, Filip M, Câmpian RS. Influence of polymeric matrix on the biocompatibility

of fibre-reinforced composites. Zilele Universității de Medicină și Farmacie “Iuliu

Hațieganu”, Cluj-Napoca, România, 2015- premiul II.

16

4. Lazăr MA, Băciuţ M, Băciuţ G , Rotaru H, Roman CR, Armencea G, Băbţan AM, Vodnar D,

Prejmerean C, Prodan

D, Vlassa

M. Gentamicin eluting coating on E glass fiber-reinforced

composites for cranio-facial reconstruction. Napoca Biodent International Symposium of

Dentistry, Cluj-Napoca, România, 2016.

5. Rotaru H, Lazăr MA, Baldea I, Boşca AB, Prejmerean C, Câmpian RS. Biocompatibility of

new fiber-reinforced composite materials for craniofacial bone reconstruction. Annual

Conference and Expo on Biomaterials, Londra, Marea Britanie, 2016.

6. Silaghi-Dumitrescu L, Bogdan D, Barbu L, Moldovan M, Prodan D, Prejmerean C. Study of

the morphology of some experimental dental giomers by SEM and AFM techniques. 7th

International Conference Biomaterials, Tissue Engeneering and Medical Devices, Biommed,

Constanţa, România, 2016

7. Nicolae Bâlc – Tehnologii revoluționare Additive Manufacturing / Additive Manufacturing

(AM) at Technical University of Cluj; “Smart Manufacturing” - Forum Demo Metal, Braşov,

25-28 Mai 2016;

8. Paul Bere – Materiale compozite: tehnologii de obținere a pieselor compozite; “Smart

Manufacturing” - Forum Demo Metal, Braşov, 25-28 Mai 2016;

9. Alina Popan - Rapid Tooling (RT) pentru producția mică și medie de piese de metal sau de

plastic; “Smart Manufacturing” - Forum Demo Metal, Braşov, 25-28 Mai 2016;

10. Alexandru Popan - Prelucrare sub jet de apă: studii de caz și perspective, “Smart

Manufacturing” - Forum Demo Metal, Braşov, 25-28 Mai 2016;

11. Lazăr MA, Prejmerean C, Prodan D, Roman CR, Bere P, Armencea G, Rotaru H, Crișan B,

Bran S, Băciuț M, Băciuț G, Băbțan AM, Câmpian RS. Investigation of the morphology and

structure of E-glass fiber-reinforced composites for cranio-facial custom-made implants.

Zilele Universității de Medicină și Farmacie „Iuliu Hațieganu”, Cluj-Napoca, România,

2016- premiul II

12. Lazăr MA, Băciuţ M, Băciuţ G, Rotaru H, Roman R, Armencea G, Berce C, Bosca B,

Prodan D, Prejmerean C, Balc N. Bone reconstruction- might composites be a good choice?.

Napoca Biodent International Symposium of Dentistry, Cluj-Napoca, România 2017.

13. Prodan D, Moldovan M, Filip M, Vlassa M, Popescu V, Prejmerean C. The formulation and

characterization of two monomer mixtures, as precursors of the endodontic sealers

materials. Napoca Biodent International Symposium of Dentistry, Cluj-Napoca, România

2017- premiul II

14. Lazăr MA, Rotaru H, Roman R, Armencea G, Bosca B, Berce C, Prejmerea C, Prodan D,

Balc N, Bere P. "Biological behavior of new E-glass fiber reinforced composite for cranio-

facial bone reconstruction". COST MP1301 NEWGEN "Biomaterials for Dental and

Orthopedic Applications", Cluj-Napoca, România, 2017

15. Rotaru H, Lazăr M, Bâlc N, Prejmerean C, Berce C, Fodor L, Florian St.: New fiber

reinforced composite material for custom-made craniofacial implants. 22nd Annual

Congress of EM: "New Prospectives in Neurotraumatology", Pavia, Italia, 2017

16. Bâlc Nicolae, Design for Additive Manufacturing and AM Applications Developed at TUC-

N, invited keynote speaker - MSE Conference, Sibiu 2017

17

Articole publicate

BDI

1. Popan I.A., Bâlc N., Luca B., Popan A., Carean A., The Accuracy of the Plastic Parts Milling

Process Executed by a Six Axes Robot, Journal: Applied Mechanics and Materials, ISSN:

1662-7482, Vol. 808, pp 339-344, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.808.339, 2015

Trans Tech Publications, Switzerland

2. Popan I.A., Bâlc N., Popan A., Fraţilă D., Trif A., Surface Roughness Prediction During Dry

Turning of Austenitic Stainless Steel AISI 304, Journal: Applied Mechanics and Materials,

ISSN: 1662-7482, Vol. 808, pp 54-59, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.808.54, 2015

Trans Tech Publications, Switzerland.

3. Popan A., Bâlc N., Popan I.A., Panc N., Miron-Borzan C.S., Using Simulation to Improve the

Quality of the Metallic Industrial Components Made by Rapid Casting, Journal: Applied

Mechanics and Materials, ISSN: 1662-7482, Vol. 808, pp 187-192, 2015 Trans Tech

Publications, Switzerland, doi:10.4028/www.scientific.net/AMM.808.187

ISI

1. Lazăr MA, Filip M, Vlassa MC, Sorcoi LA, Câmpian

RS, Prejmerean

C. Development and

characterization of new fiber-reinforced biocomposites for cranial bone reconstruction. Rev

Rom Mater. 2016; 46(2):142-151.

2. Lazăr MA, Rotaru H, Baldea I, Boşca AB, Berce CP, Prejmerean C, Prodan D, Câmpian RS.

Evaluation of the biocompatibility of new fiber-reinforced composite materials for

craniofacial bone reconstruction. Journal of Craniofacial Surgery. 2016; 27(7):1694-1699

3. Lazăr MA, Rotaru H, Prodan D, Armencea G, Bere P, Roman CR, Câmpian RS. Evaluation

of the morphology and structure of e glass fiber-reinforced composites for cranio-facial bone

reconstruction. Studia UBB Chemia 2016; LXI(2):249-260

4. Bogdan Baldea, Laura Silaghi-Dumitrescu, Gabriel Furtos. Fracture load and force load at

upper yield of alkaline-resistant glass fiber-reinforced endodontic posts. Polymer

Composites, Volume 38, Issue 2, February 2017, Pages: 260–267

5. Furtos G, Baldea B, Silaghi-Dumitrescu L. Development of new radiopaque glass fiber posts.

Mater Sci Eng C: Mater Biol Appl. 2016 Feb; 59:855-862.

ISI proceedings

1. Nicolae Bâlc and Cristian Vilău, Design for Additive Manufacturing, to produce assembled

products, by SLS; MSE Conference-Sibiu, MATEC Web Conf., Vol. 121, 04002, 2017;

doi.org/10.1051/matecconf/201712104002

2. Popan I.A., Bâlc N., Popan A., CNC Machining of the Complex Copper Electrodes, 7th

International Conference on Manufacturing Science and Education, June 3-6, 2015 Sibiu,

Romania, “Lucian Blaga” University of Sibiu, Faculty of Engineering, Journal: ACTA

UNIVERSITATIS CIBINIENSIS – TECHNICAL SERIES, (Vol. LXVI 2015), Volume 66,

Issue 1, Pages 153–158, ISSN (Online) 1583-7149, DOI: 10.1515/aucts-2015-0045

C.2. Educarea absolvenţilor licenţiaţi şi implicarea studenţilor doctoranzi în domeniul

cercetării

(Capitole) cărţi

1. Nicolae Bâlc , “Modern Technologies in Manufacturing”, Editor: Balc Nicolae, Trans Tech

Publications - Applied Mechanics and Materials, Switzerland, Vol. 808, 394 pagini, 2015,

ISBN-13: 978-3-03835-653-0, http://www.scientific.net/AMM.808/book

18

2. Petru Berce, Nicolae Bâlc, s.a., “Aplicatiile medicale ale tehnologiilor de fabricaţie prin

adăugare de material”, Editura Academiei Române, Bucureşti, 2015

3. Nicolae Bâlc, Răzvan Păcurar, “Tehnologii neconvenţionale şi de prototipare rapidă –

Îndrumător de proiect”, Editura Risoprint, Cluj-Napoca, 2016

Teze doctorat

1. Cotigă (Lazăr) MA. "Biomateriale compozite inovative destinate reabilitării oro-maxilo-

faciale", Universitatea de Medicină și Farmacie „Iuliu Hațieganu”, Cluj-Napoca, 2016

2. Kessler Julia, "Research on improved lattice structure parts, made by Selective Laser

Melting", Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Cluj-Napoca, 2017.

3. Vilau Cristian, "Optimizarea proiectării industriale, utilizând metodele de analiză statică și

dinamică ale sistemelor CAD", Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Cluj-Napoca, 2017;

4. Cosmin Cosma, „Cercetări privind îmbunătățirea fabricației implanturilor medicale din

titan, prin topire selectivă cu laser”, Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Cluj-Napoca,

2015.

5. Alin Miron, „Cercetări privind tăierea cu jet de apă a materialelor compozite”,

Universitatea Tehnica din Cluj-Napoca, Cluj-Napoca, 2015.

Lucrări de licenţă

1. Simu C, Cercetări privind proiectarea matrițelor pentru injectarea pieselor din mase plastic,

Universitatea Tehnică din Cluj-Napoca, Facultatea Construcții de Mașini, Specializarea TCM

Alba Iulia, 2017.

2. Vasc Anda Maria, The improvement of the surface roughness of the dental bridges made by

SLM, using metallic powders, (Imbunatatirea calitatii suprafetelor aferente puntilor dentare

fabricate prin SLM, din pulberi metalice), UTCN, Facultatea Construcții de Mașini,

Specializarea TCM engleza, 2017

3. Apostol N. Georgiana Alice, Manufacture the composite materials parts, by 3D printing

technologies (Fabricarea pieselor din materiale compozite prin tiparire 3D) , UTCN,

Facultatea Construcții de Mașini, Specializarea TCM engleza, 2017

4. Prunean A. Simon Aurel, Study of lattice structures usability in medicine, manufactured by

SLM, (Studiul privind fabricarea prin SLM a structurilor lattice utilizabile in medicina) ,

UTCN, Facultatea Construcții de Mașini, Specializarea TCM engleza, 2017;

Lucrări de disertaţie

1. Mariş G.I., Cercetări privind realizarea tuburilor din materiale compozite armate cu fibre

prin procedee neconvenționale, UTCN, Facultatea Construcții de Mașini, Specializarea

Master Design, 2017.

2. Moldovan I. Cătălin Ionuţ, Study on 3D printing of composite materials, (Studiu privind

printarea 3D cu materiale compozite), UTCN, Facultatea Construcții de Mașini,

Specializarea: Inginerie virtuala si fabricatie competitiva - engleza, 2017.

3. Ivan S. Sergiu Vasile, Experimental researches regarding manufacturing of casting shells

through selective laser sintering out of ceramic powders, (Cercetări experimentale privind

fabricaţia de matrite pentru turnare prin sinterizare selectivă cu laser din pulberi ceramice),

UTCN, Facultatea Construcții de Mașini, Specializarea: Inginerie virtuală şi fabricaţie

competitivă - engleză, 2017.

4. Bonda M. Andrei Lucian, Feeding system and laser beam cutting of the customized parts

(Sistem de alimentare pentru debitarea cu fascicul laser a reperelor unicate), UTCN,

19

Facultatea Construcții de Mașini, Specializarea: Inginerie virtuală şi fabricaţie competitivă -

engleză, 2017.

5. Puşcas Ciprian, Design and analysis of the heating system for extrusion (Proiectarea şi

analiza unui sistem de încălzire pentru extrudare), UTCN, Facultatea Construcții de Mașini,

Specializarea: Inginerie virtuală şi fabricaţie competitivă - engleză, 2017.

6. Zaharia Bogdan, Proiectarea tehnologiei inovative de fabricatie a reperului „suport”,

necesar la SC Michelin Zalau, UTCN, Facultatea Construcții de Mașini, Specializarea:

Procese de producţie inovative şi managementul tehnologic, 2017.

7. Rotari Alexandru, fabricatia componentelor prototipului AIR CARGO TRANSYLAVIA,

UTCN, Facultatea Construcții de Mașini, Specializarea: Procese de producţie inovative şi

managementul tehnologic, 2017.

C.3. Elaborare cerere brevet

Partenerii UMF, UBB şi UTCN au participat la activităţile de cercetare care au condus la

posibilitatea elaborării unui brevet de inventive, pentru care a fost depusă documentaţia la OSIM.

Revendicările solicitate în cadrul acestei cereri de brevet se referă la:

1. Compoziţie de răşină de impregnare utilizată pentru confecţionarea materialului compozit

armat cu ţesătură de fibră de sticlă destinat utilizării ca implant cranio-facial

2. Material compozit armat cu fibre de sticlă destinat fabricării de implanturi cranio-faciale

personalizate, cu efect antibacterian şi de stimulare a viabilităţii şi diferenţierii osteogenice a

celulelor stem

3. Model animal (pentru specia Oryctolagus cuniculus) de defect osos calvarial critic

4. Metoda de fabricaţie a implanturilor cranio-faciale personalizate din compozite ranforsate

cu fibră de sticlă

Descrierea detaliată a acestor revendicări şi desenele aferente, sunt incluse în cererea de

brevet depusă la OSIM de către partenerii proiectului PECIFCO,

A 00607/2017 "Materiale și metodă de fabricație a implanturilor cranio-faciale

personalizate din compozite ranforsate cu fibră de sticlă”. Alexandru Horațiu Rotar,

Grigore Băciuț, Mădălina Anca Lazăr, Cristina Prejmerean, Mărioara Moldovan, Doina

Prodan , Nicolae Bâlc, Paul Bere

C.4. Creşterea excelenţei ştinitifice si tehnologice, precum şi a vizibilităţii consorţiului și

participarea ulterioară la alte proiecte de cercetare.

Proiectul PECIFCO a contribuit la creşterea excelenţei în cercetare a partenerilor şi a

sprijinit elaborarea unor propuneri de success a unor proiecte europene, care au fost aprobate de-

a lungul celor 3 ani în care s-a derulat proiectul PECIFCO:

20

Horizon 2020: AMaTUC – No. 691787: „Boosting the scientific excellence and innovation

capacity in additive manufacturing of the TUC-N”, perioada 01.01.2016 – 30.12.2018, buget

999.443 Euro, Coordonator: Prof. Nicolae Bâlc (www.amatuc.com );

Horizon 2020: DiCoMi-No. 778068/RISE-2017, „Directional Composites through

Manufacturing Innovation”, 2017 – 2021, buget 1.426.500 Euro, Coordonator UTCN: Prof.

Nicolae Bâlc;

Alte două proiecte în domeniul biomaterialelor și al biotehnologiilor sunt în curs de

evaluare: PN-III-P1-1.2-PCCDI- 2017-0410: "Tehnologii inovative de fabricație, prin metode

aditive, a implanturilor medicale personalizate și a biodispozitivelor", PN-III-P1-1.2-PCCDI-

2017-0401: "Utilizarea tehnologiei imprimării 3D în domeniul farmaceutic și biomedical"

C.5. Potenţialul de piaţă al produselor obţinute

Materialele și metoda de fabricație a implanturilor cranio-faciale personalizate din

compozite ranforsate cu fibră de sticlă reprezintă rezultatele semnificative obţinute în proiectul

PECIFCO și sunt bine integrate în strategia de afaceri a firmelor Remed Prodimpex și Avena

Medica SRL, având în vedere experienţa acestora în producerea de materiale utilizate în scop

medical, activitate pentru care firmele sus-menţionate s-au impus pe piaţă. Materialul în sine, dar

şi tehnologia asociată transpunerii sale în forma implanturilor personalizate, pot fi implementate

de către partenerii industriali pe piaţa românească, răspunzând astfel cerinţelelor mediului socio-

economic naţional şi global, prin dezvoltarea de produse originale, tehnologii avansate şi

servicii, competitive pe plan internaţional şi cu impact socio-economic major. Datorită

particularităţilor patologiei actuale, solicitările clinicilor chirurgicale sunt în creştere, atât prin

incidenţa în creştere a traumatismelor craniofaciale, cât mai ales prin prevalenţa oncopatologiei.

Practic, piaţa pentru un astfel de produs este importantă, iar specificitatea ei, modelele unicat

necesare pentru fiecare caz în parte, o vor menţine mereu eficientă.

Concurenţa pe o astfel de piaţă este nulă din partea ţărilor asiatice low-cost datorită

distanţei şi urgenţei situaţiilor. Concurenţa europeană va fi tolerabilă ca urmare a caracterului de

unicat per pacient. În concluzie, integrarea unei astfel de cercetări aduce un nou avantaj

partenerilor industriali pe piaţa națională şi europeană.

Cluj-Napoca

septembrie 2017

Director proiect,

Conf. Dr. Horațiu Rotaru