„Każdego roku wykonuje się setki milionów wypełnień dentystycznych. Przedwczesna utrata integralności mechanicznej skutkuje koniecznością zwiększonej liczby nowych wypełnień, w tym okazjonalnego usuwania zdrowej struktury zęba” – czytamy w streszczeniu projektu, który będzie Pan realizował w ramach środków przyznanych przez Narodowe Centrum Nauki. Jakie są jego główne założenia?
Jestem laureatem 24. edycji konkursu OPUS NCN. Głównym celem mojego projektu pt. „Opracowanie oraz ocena właściwości podwójnie dynamicznych dentystycznych systemów kompozytowych z wykorzystaniem rodnikowych i anionowych odwracalnych reakcji wymiany i addycji” jest opracowanie kompozytów, które nazwałem „podwójnie dynamicznymi”. Takie kompozyty to materiały składające się w większości z wypełnienia mineralnego oraz wiążącej je polimeryzującej żywicy organicznej, czyli mieszanki syntetycznych związków – monomerów, które ulegają fotopolimeryzacji. Fotopolimeryzacja to główna metoda utwardzania tego typu żywic kompozytowych.
W literaturze przedmiotu znane są prace, gdzie wykorzystano poddane różnorakim modyfikacjom wypełnienie mineralne, czyli powierzchniowo wprowadzono określone grupy funkcyjne, żeby ułatwić mieszalność albo zwilżanie tego wypełnienia. Natomiast ja planuję wykonać badania, podczas których zarówno wypełniacz mineralny będzie modyfikowany, czyli zostaną wprowadzone odpowiednie, tzw. dynamiczne grupy funkcyjne, jak i żywica będzie częściowo lub w pełni dynamiczna. Chcę sprawdzić, jak to wpłynie na właściwości kompozytu po utwardzeniu. Wiązania kowalencyjne „dynamiczne” to wiązania chemiczne, które w określonych warunkach, np. w trakcie polimeryzacji, ulegają cyklicznie pękaniu i tworzeniu na nowo. Mogą to być odwracalne reakcje addycji lub wymiany, przebiegające według różnych mechanizmów rodnikowych i anionowych. Jeśli mowa o podwójnie dynamicznych polimerach czy kompozytach, to przebadam je, gdy będę miał odwracalną wymianę lub addycję na powierzchni mikronapełniacza i odwracalną wymianę lub addycję w żywicy. W literaturze fachowej znane są różne grupy funkcyjne, które ulegają zarówno odwracalnej addycji, jak i odwracalnej wymianie. Jest duży wybór tych dynamicznych połączeń, których potencjalnie można użyć, ale też niekoniecznie wszystkie muszą spełniać swoją rolę. Odwracalne reakcje wymiany są skuteczne w poprawie właściwości żywic dentystycznych, np. likwidacji naprężeń polimeryzacyjnych, co zostało już wcześniej potwierdzone i opatentowane.
Jednym z założeń mojego projektu jest określenie maksymalnego pułapu wykorzystania mieszanki napełniacza mineralnego, tj. mikro- i nanonapełniacza, tzn. czy będzie można użyć takiej mieszanki napełniaczy tyle, ile zwykle jest wymagane w kompozytach stomatologicznych – objętościowo musi być to 80% samego napełniacza mineralnego, a tylko 20% żywicy. Sprawdzę zatem, czy takie kompozyty są możliwe do uzyskania.
Oprócz tego założyłem w projekcie cele dodatkowe, np. jeśli zmieniając żywicę lub modyfikując napełniacz, uzyskam poprawę właściwości, spróbuję dowiedzieć się, na ile zmodyfikowana żywica i reakcje wymiany inicjowane w trakcie polimeryzacji (przez krótki czas) albo w wydłużonym czasie po polimeryzacji zmieniają strukturę takiego materiału, a później również kompozytu. Sprawdzę, czy i w jakim stopniu następuje poprawa tej struktury. Żywica po polimeryzacji jest bardzo niejednorodna w budowie, ma dużo defektów strukturalnych, np. nieprzereagowane grupy funkcyjne, nieprzereagowany monomer, wolne rodniki uwięzione w sieci, które z czasem mogą ulec rekombinacji, niejednorodności w gęstości i rozkładzie połączeń w sieci itp. Badania te są zasadne, ponieważ w literaturze przedmiotu mamy wiele prac na temat polimerów dynamicznych, natomiast brakuje doniesień, które rozpatrywałyby właściwości strukturalne sieci. Porównuje się właściwości mechaniczne, termiczne i wykazuje, w jakim stopniu polimer dynamiczny ma zbliżone właściwości do polimerów niedynamicznych. Natomiast jeśli chodzi o strukturę sieci, to takich doniesień nadal nie ma. Dlatego też myślę, że interesujące mogłoby być wykazanie, że rzeczywiście w określonych warunkach reakcji wymiany następuje poprawa tej struktury. Eliminowanie samych naprężeń polimeryzacyjnych niekoniecznie może wprowadzić istotne zmiany w sieci i jej budowie, ale jeśli sieć ma możliwość zmiany połączeń i reorganizacji, bądź samoreorganizacji, to być może nastąpi dostateczne ujednolicenie rozmieszczenia połączeń sieciowych, czyli wiązań chemicznych, co w konsekwencji doprowadzi do poprawy struktury sieci.
Otrzymał Pan niemal 2 mln zł na realizację swojego projektu. Na co zostaną przeznaczone te środki finansowe?
Część środków będzie przeznaczona na zakup specjalistycznych urządzeń. Jednym z nich jest spektrometr FTIR. To urządzenie, które będzie wyposażone w dodatkowe detektory oraz funkcję pozwalającą na wykonywanie analiz w czasie rzeczywistym, czyli np. umożliwiające śledzenie reakcji polimeryzacji, tzn. można obserwować stopień przereagowania grup funkcyjnych w trakcie przebiegu reakcji. Spektrometr to najdroższy sprzęt. Przeznaczyłem na niego 420 tys. zł.
Drugim urządzeniem, które chcę zakupić, jest automat do rozdziału chromatograficznego substancji po syntezie – aparat dający możliwość automatycznej chromatografii preparatywnej związków organicznych i monomerów służących do polimeryzacji. Oprócz tego zakupię też bardziej profesjonalne lampy UV i światła widzialnego do polimeryzacji i do fotopolimeryzacji. Chodzi mi o urządzenia wyposażone w filtry promieniowania elektromagnetycznego z zakresu światła widzialnego i ultrafioletu, dzięki którym będzie można wyodrębnić określoną długość fali promieniowania lub wąski zakres długości fal, jakimi będziemy inicjować polimeryzację. Zwykle w fotopolimerach kompozytowo-dentystycznych stosuje się światło widzialne, żeby było bezpieczne dla otoczenia, w którym wykonuje się polimeryzacje. Koszt profesjonalnej lampy to ok. 30 tys. zł. Będą również potrzebne do niej specjalne akcesoria jak światłowody, żeby można było wykonywać polimeryzacje w ograniczonych dostępem przestrzeniach, np. w komorze FTIR.
Pozostałe środki przeznaczę na udział w konferencjach, serwis aparatury, drobny sprzęt laboratoryjny, odczynniki chemiczne i rozpuszczalniki, akcesoria do chromatografii preparatywnej, zlecenia zewnętrzne, wynagrodzenia dla zespołu badawczego oraz materiały biurowe. Około 280 tys. zł w ciągu 4 lat trwania projektu zamierzam wydać na odczynniki, sprzęt i akcesoria, które po prostu się zużywają. Myślę, że wszystko, co uda mi się zakupić, zwłaszcza aparatura naukowa, przyda się także innym pracownikom naszej katedry. Będą mogli korzystać z tego w przyszłości i pogłębiać swoje badania.
Mam nadzieję, że projekt się powiedzie. Tematycznie podobne badania naukowe wykonywałem, kiedy przebywałem na stażu w Departamencie Inżynierii Chemicznej i Biologicznej na Uniwersytecie Kolorado w Boulder w Stanach Zjednoczonych. Byłem w grupie prof. Christophera Bowmana. Jego nazwisko jest znane, jeśli chodzi o fundamentalne aspekty fotopolimeryzacji oraz badania polimerów usieciowanych, w tym reakcje polimeryzacji łańcuchowych i stopniowych. Dzięki wyjazdowi zdobyłem nową wiedzę i umiejętności, które wykorzystam przy realizacji mojego projektu.
Jakie korzyści Pana projekt może przynieść stomatologii?
Grant jest przeznaczony na badania podstawowe. Gdyby jednak udało się opracować wyjątkowo dobry materiał kompozytowy, to w przyszłości istnieje szansa jego opatentowania, a następnie wykorzystywania w stomatologii.
Z pewnością publikacje dotyczące poruszanego w projekcie tematu staną się interesujące dla stomatologów, ponieważ będą mieli możliwość porównania kompozytów dynamicznych z tymi, które obecnie stosują. Podczas badań chciałbym porównywać bowiem kompozyty dynamiczne z materiałami dostępnymi już od jakiegoś czasu komercyjnie na rynku.
Jakie są Pana plany na przyszłość? Rodzą się już pomysły na kolejne projekty?
Z doświadczenia wiem, że gdy wykonuje się badania, to dużo nowych i ciekawych obserwacji powstaje „po drodze”, czasem przypadkowo. Zdarzało się, że pewne eksperymenty, które przeprowadzałem, w dużej mierze były nieoczekiwane, tzn. mając założony wcześniej cel, zaobserwowałem przy okazji coś zupełnie innego i zaskakującego. Liczę, że przy realizacji grantu zainicjujemy również nowe tematy, mniej lub bardziej związane z projektem, np. wspomniane próby ujednolicenia struktury polimerów usieciowanych.
W planach mam oczywiście kontynuowanie badań związanych z udoskonalaniem polimeryzacji i fotopolimeryzacji stopniowych oraz opracowywaniem nowych materiałów i kompozytów z odwracalną pamięcią kształtu. Uzyskałem częściowe, obiecujące wyniki, więc na pewno będę chciał wrócić do ich kontynuowania.
Rozmawiała Magdalena Wołoszyn-Mróz
Fot. Bartosz Proll
