Schema de realizare a proiectului 23 03 01 - Anul 2023 - Etapa I

Contractul nr.: 30N/12.01.2023
Titlu: "Dezvoltarea de soluții inovatoare și tehnologii de fabricație avansată cu laseri, plasmă și radiații pentru rezolvarea problemelor societale"

Faza 1: "Dezvoltare de subansamble și componente pentru un sistem laser cu pulsuri sub-picosecunde"

Responsabil fază: Dr. Marian ZAMFIRESCU

Termen de încheiere a fazei: 12.05.2023

Abstract:
Principalul obiectiv al acestei faze a fost studiul unor configurații optice pentru subansamble și componente optice și electronice ale unui amplificator laser cu pulsuri sub-picosecunde, precum și realizarea de elemente ale laserului de pompaj (mediu activ laser, oglinzi laser) ce vor intra în configurația sistemului laserului final. Au fost realizate pentru prima dată prin metoda Czochralski și au fost caracterizate cristale laser de tip Nd:LaxGdyYzSc4-x-y-z(BO3)4 cu topire incongruentă și emisie laser eficientă la 1.06 µm. Au fost proiectate configurații de structuri dielectrice Bragg pentru realizarea de oglinzi laser, au fost obținute și caracterizare filme subțiri din SiO2, TiO2 și HfO2 depuse prin tehnicile PLD, TVA și magnetron sputtering și au fost determinați parametrii optici ai filmelor depuse. Au fost elaborate o serie de studii numerice bazate pe metoda diferențelor finite (FDTD) pentru a determina mediile optime de propagare a fasciculului laser care sa inducă o alungire temporală a pulsului laser in domeniul 0.5 - 1 ps. De asemenea, au fost dezvoltate o serie de modele raytracing pentru proiectarea unei scheme optime a unui amplificator laser in vederea obținerii unei eficiente maxime de amplificare conform cerințelor actuale în domeniul experimentelor cu laseri cu pulsuri ultra-scurte. Acest obiectiv reprezintă o etapă intermediară din realizarea unei surse laser pentru fabricație avansată aditivă și substractivă de dispozitive pentru tehnologii emergente.

Abstract grafic:

Faza 2: "Sinteza și caracterizarea materialelor active utilizate în senzoristică si detecție"

Responsabil fază: Dr. Gabriela CRĂCIUN

Termen de încheiere a fazei: 15.07.2023

Abstract:
În cadrul prezentei etape s-a realizat sinteza și caracterizarea unor materiale utilizate în senzoristică și detectie prin metode cu laseri, plasmă și radiații. S-au obținut și caracterizat nanopulberi oxidice cu conținut scăzut de carbon prin tehnica pirolizei laser, fosfori (SrLaGaO4, Ca3Ta2Ga3O12), ceramici difuzante și materiale luminescente dopate cu ioni de lantanide (Nd3+, Er3+, Ho3+, Yb3+), nanopereți carbonici (CNW) simpli sau funcționalizați prin tehnici cu plasmă și nanoparticule cu sau fără proprietăți magnetice (nAg, nNi) prin iradiere cu electroni accelerați de mare energie.

Pentru domeniul senzoristicii de gaz s-au sintetizat nanopulberi oxidice utilizând izopropanolul și etena ca sensibilanți. Utilizarea izopropanolului sub formă de vapori a condus la scăderea dimensiunii cristalelor de SnO2-x cu 23% comparativ cu procesul în care s-a utilizat etena. De asemenea, s-au sintetizat nanopulberi de SnxFeyOz de 4.5 nm cu cristalinitate bună, dimensiunea de cristal variind între 3 și 10 nm. Pentru domeniul senzoristicii cu unde acustice de suprafață (SAW) s-au sintetizat nanoparticulele de TiO2 prin metoda pirolizei laser din vapori de TiCl4 în aer și în prezența etilenei, la diferite presiuni de lucru, dimensiunea medie a particulelor fiind estimată în intervalul 15 – 22 nm.

De asemenea, au fost obținuți fosfori ceramici Er:CaSc2O4 (prin metoda sol-gel), RE3+:CTGG și RE3+:SrLaGaO4 (prin reacție în fază solidă). S-au selectat trei matrici gazdă (Y2O3, CaSc2O4 și BaGd2ZnO5) preparate prin metoda reacției în fază solidă și care au fost dopate cu trei sisteme de ioni de lantanide (Er3+-Yb3+, Ho3+-Yb3+ și Er3+-Ho3+-Yb3+) obținându-se materiale cu cristalinitate pură care au confirmat emisii în domeniul 500-800 nm. Analizele structurale și morfologice au indicat proprietăți favorabile ale acestor materiale pentru aplicații ca senzori de temperatură non-contact.

S-au sintetizat nanopereti de carbon (CNW) simpli sau funcționalizați prin tehnici cu plasma RF, pe mai multe tipuri de suporti în vederea obținerii de nanostructuri care să se autosusțină. Au fost identificate și testate noi efecte ale CNW, cu aplicații în domeniul senzoristicii SAW, al senzorilor de gaze chimioresistivi și biosenzorilor.

Optimizarea procesului de iradiere prin aplicarea unui design experimental de tip Central Composite Design (circumscribed) – Response Surface Methodology (CCD-RSM) cu 20 de poziții, a condus la obținerea de nanoparticule de argint (nAg) la doza de iradiere de 17.6 kGy cu o dezirabilitate de 0,810. Nanoparticule de nichel (nNi) cu proprietăți magnetice au fost obținute la doza de iradiere de 300 kGy, dimensiunea acestora variind între 20 și 70 nm.

Abstract grafic:

Faza 3: "Dezvoltarea de metode și protocoale de detecție cu aplicații în agricultura inteligentă"

Responsabil fază: Dr. Gabriel SOCOL

Termen de încheiere a fazei: 13.10.2023

Abstract:
Contaminarea solului cu metale grele este o preocupare majoră în ceea ce privește poluarea mediului, având impact negativ asupra creșterii plantelor, calității hranei și sănătății animalelor și a populației. Pentru realizarea obiectivelor acestei faze, efortul a fost concentrat pe efectul cuprului, metal folosit in pesticide frecvent utilizate în agricultură, asupra dezvoltării plantelor și a solului.

Astfel, au fost investigate efectele solului contaminat asupra plantelor crescute în acest mediu. Pentru a identifica concentrațiile de cupru în probele de sol, au fost utilizate tehnici de spectroscopie, Laser Breakdown Induced Spectroscopy și Time Domain Spectroscopy în domeniul THz, dezvoltând două protocoale de detecție a contaminanților în sol. A fost dezvoltată şi utilizată o cameră de creștere cu parametri de mediu controlați pentru studiul a 125 de plante de Asimina Triloba cultivate în probele de sol contaminat. Condițiile de iluminare, temperatură și umiditate a solului au fost menţinute constante fiind monitorizate efectele cuprului asupra acestor plante cu ajutorul spectroscopiei UV-VIS și imagisticii THz. În acest sens a fost dezvoltat un protocol specific pentru monitorizarea efectelor induse de probele de sol contaminat asupra plantelor folosind aceste două tehnici complementare.

În paralel, a fost elaborat un protocol pentru germinarea controlată a semințelor de grâu comun și au fost determinate concentrațiile de etilenă și amoniac din respirația germenilor de grâu (Triticum aestivum) utilizând tehnica de spectroscopie fotoacustică cu laser. Contaminarea a fost efectuată controlat cu soluție de CuSO4 la concentrații molare de 1 µM, 100 µM, 1 mM și 10 mM. In paralel, s-a studiat efectul de remediere al hidrogelului asupra geremenilor de grâu comun germinați în sol amestecat cu hidrolgel și două tipuri de nutrienți. Astfel, aceeași tehnologie de spectroscopie a fost aplicată pentru evaluarea influenței contaminanților de tip metal greu asupra germinării, înrădăcinării, creșterii și înfrățirii semințelor de grâu comun în sol și hidrogel, observându-se asfel un efect de bioremediere asupra plantulelor de grâu comun.

Tot în cadrul acestei faze, au fost elaborate: i) un protocol pentru determinarea sensibilității senzorului FO-SPR acoperit cu aur, utilizând diluții de sucroză cu indice de refracție cunoscut şi ii) un protocol pentru senzorul FO-SPR pe bază de reflexie acoperit cu aur funcționalizat cu PANI, care poate detecta Cu2+ din apă deionizată cu o sensibilitate de 2379 nm/mM și un LOD de 0,35 µM.

Aceste cercetări au contribuit la înțelegerea impactului contaminării cu metale grele asupra mediului și au furnizat metode eficiente de detectare.

Abstract grafic:

Faza 4: "Procesarea cu laseri, plasma si radiatii a structurilor de biomateriale implantabile si pansamente Incarcate cu medicamente chimioterapeutice"

Responsabil fază: Liviu-Marian DUTA, Alexandra PALLA-PAPAVLU

Termen de încheiere a fazei: 08.12.2023

Abstract:
In prezent, exista o cerere semnificativa pentru productia de dispozitive medicale destinate aplicatiilor in medicina regenerativa, ceea ce se aliniaza cu avansul medicinei personalizate. In acest context, tehnologia din spatele stenturilor biliare devine un element crucial care contribuie la realizarea cu succes a procedurilor de transplant hepatic si faciliteaza recuperarea rapida a pacientului. In acest context, raportam fabricarea unui nou design de dispozitiv stent biliar bazat pe policaprolactona (PCL), complet resorbabil, destinat in primul rand sustinerii functiilor ductului biliar in perioada post-transplant hepatic. Prezentam rezultatele unui studiu care investigheaza efectele timpului si vitezei de centrifugare asupra caracteristicilor morfologice ale filmelor subtiri de PCL produse prin tehnica de acoperire prin centrifugare. In cele din urma, membranele de PCL au fost structurate prin iradierea cu radiatie laser polarizata liniar.
Difractogramele GIXRD ale straturilor subtiri BioCaP sintetizate au evidentiat prezenta unei singure faze HA de tip hexagonal. S-a observat ca gradul de cristalinitate al structurilor sintetizate a fost influentat de parametrii de depunere. Spectrele FTIR au demonstrat existenta benzilor gruparilor fosfat, specifice unei structuri HA, bine cristalizata. Acest rezultat a fost in concordanta cu observatiile GIXRD. Rezultatele investigatiilor SEM au demonstrat sinteza unor suprafete cu o morfologie rugoasa si neregulata, alcatuite din formatiuni (« particule ») de forma sferica, sau chiar ovoidala, avand dimensiuni diferite. Imaginile SEM in sectiune transversala au evidentiat in toate cazurile acoperiri uniforme, cu o crestere de tip columnar. Spre deosebire de cazul controlului de Ti, pentru care s-a inregistrat un comportament hidrofob, in cazul straturilor subtiri BioCaP a fost evidentiat un comportament hidrofil. Valorile obtinute in urma testelor de aderenta au fost superioare celor impuse de standardele internationale in vigoare (>15 MPa).
Am obtinut doua tipuri de biomateriale compozite functionalizate: PVP ciclopirox / caspofungin acetat. Nanomaterialele au fost asamblate sub forma de filme subtiri prin metoda de evaporare laser pulsata asistata de o matrice (MAPLE), pe substraturi de siliciu si sticla optica. Filmele subtiri depuse prin MAPLE au fost caracterizate prin AFM si FTIR.
.

Abstract grafic:

Faza 5: "Fabricație laser aditivă și texturare de structuri din materiale biocompatibile"

Responsabil fază: Irina PAUN, Andrei POPESCU

Termen de încheiere a fazei: 08.12.2023

Abstract:
Faza 5 a proiectului a vizat fabricarea laser aditivă și texturarea laser de structuri din materiale biocompatibile. Pentru indeplinirea acestui obiectiv, au fost planificate si realizate 3 activitati, toate avand aplicatii directe in domeniul biomedical. Activitatea de fabricare laser aditiva prin metoda Topirii Laser Selective a avut ca rezultat obtinerea de substraturi medicale si dispozitive de tipul protezelor de sold plecand de la un material de baza sub forma de particule sferice din aliaj de Ti gradul 5 (Ti6Al4V) cu diametre intre 20-63 μm. Pentru obtinerea unor structuri dense, fara defecte de interior, principalii parametrii de procesare au fost: 200 W puterea laser, la o viteza de procesare de 2 m/s, un strat avand grosimea de 20 μm. S-a identificat o structura metalografica de tip Widmanstatten, cu dendrite de faza α hexagonal compacta crescute pe doua directii perpendiculare intr-o faza β cubic cu volum centrat. Aceste rezultate vor putea fi scalate in vederea utilizarii in aplicatii de inginerie medicala, mai precis pentru o gama larga de implanturi perosnalizate. Forma si dimensiunile produselor individualizate vor putea fi obtinute utilizand instrumente de scanare 3D cu raze X (tomografii ale pacientilor). O alta activitate a constat in realizarea unui protocol de fabricare laser aditiva prin metoda scrierii directe cu laser prin fotopolimerizare cu 2 fotoni a unor structuri 3D cu arhitecturi biomimetice, pe bază de polimeri biocompatibili, in vederea unor aplicatii in ingineria tesutului osos. Motivatia pentru acest studiu s-a bazat pe faptul ca manipularea materialelor biologice la nivel celular constituie un domeniu de cercetare de mare actualitate pentru aplicatiile biomedicale. In cadrul acestei activitati, structuri sub forma unor micro-recipiente au fost fabricate utilizând scrierea directă cu laser prin polimerizare cu doi fotoni a unui compozit pe baza de fotopolimer biocompatibil si nanoparticule superparamagnetice pe baza de de oxid de fier. Structurile obtinute au fost caracterizate din punct de vedere structural si testate in culturi de celule de tip osteoblast. Structurile însămânțate de celule si expuse la câmpuri magnetice statice de 1.3 T au fost de aproximativ 5 ori mai eficiente în ceea ce privește captarea celulelor, in comparatie cu structurile nestimulate in camp magnetic, demonstrandu-si potențialul pentru ingineria tesutului osos. A treia activitate derulata in cadrul Fazei a vizat tot domeniul biomedical, mai precis dezvoltarea de tehnologii asitate laser inovatoare pentru imbunatatirea eficacitatii dispozitivelor implantabile. Aceasta activitate a explorat dezvoltarea unui model experimental de microprelucrare cu laser cu excimer prin proiectie cu masca, si replicare, a unor suprafete microstructurate (PLGA, chitosan, PCL, Zirconia), care au fost testate si validate in vitro in culturi de celule si pentru care s-a obtinut un raspuns biologic preliminar. Aceasta abordare a deschis noi perspective in dezvoltarea dispozitivelor implantabile personalizate cu potential de integrare si compatibilitate biologica imbunatatite, contribuind la progresul aplicatiilor biomedicale.
.

Abstract grafic: