1 Prof. dr hab. inż. Halina Garbacz Warszawa, dn. 10.09. 2021 roku Politechnika Warszawska
Wydział Inżynierii Materiałowej
RECENZJA
Rozprawy doktorskiej mgr inż. Marii Wątroby
pt. „Nowe bioresorbowalne stopy cynku do zastosowań biomedycznych”.
Podstawę formalną recenzji stanowiła decyzja Rady Dyscypliny Inżynieria Materiałowa Akademii Górniczo Technicznej oraz pismo Przewodniczącej Rady Dyscypliny, dr hab. inż.
Agnieszki Kopii, prof. AGH. Praca doktorska została przygotowana pod kierunkiem dr hab.
inż. Piotra Bały, prof. AGH.
Ocena problematyki badawczej
Współczesna medycyna wymusza ciągły postęp w badaniach, których celem między innymi jest poszukiwanie rozwiązań materiałowych jak najbardziej korzystnych w kontekście zastosowań na implanty. Zmniejszenie liczby odrzutów poimplantacyjnych, poprawa komfortu życia pacjentów, poszukiwanie materiałów o większej biozgodności, skrócenie czasu osteointegracji czy zmniejszenie stopnia ingerencji w organizm ludzki poprzez brak konieczności reoperacji lub usunięcia implantu, to tylko kilka wyzwań, przed którymi stoi nauka w tym inżynieria materiałowa. Do grupy znanych biomateriałów metalicznych stosowanych na implanty zalicza się Ti i jego stopy, stal austenityczną, stopy Co oraz biodegradowalne stopy Mg, Fe i Zn. Najszerzej stosowanymi są implanty na bazie tytanu, niemniej każda z wymienionych grup ma swoje zalety i ograniczenia w kontekście zastosowań biomedycznych krótko- i długoterminowych. Relatywnie najsłabiej znaną grupą są biodegradowalne stopy Zn i właśnie one były materiałem wybranym przez Autorkę do badań. W okresie ostatnich 10 lat obserwuje się wzrost zainteresowania stopami Zn, ponieważ wyniki badań wskazują, że charakteryzują się one bardziej pożądaną szybkością biodegradacji, pośrednią między Mg i Fe.
Treść rozprawy jest zgodna z jej tematem i dotyczy bardzo aktualnego problemu badawczego, albowiem obecnie wytwarzane stopy cynku nie spełniają wymagań w zakresie właściwości mechanicznych bioresobowalnych implantów, co skłoniło Doktorantkę do próby pokonania tej bariery na drodze odpowiedniego doboru składu chemicznego stopów Zn i ich dalszej obróbki. Zastosowanie wybranych dodatków stopowych stworzyło możliwość poprawy właściwości mechanicznych w wyniku umocnienia roztworowego (Ag), umocnienia wydzieleniowego (Ag, Mg) oraz umocnienia dyspersyjnymi cząstkami faz międzymetalicznych
2 (Zr). W tym przypadku, odpowiedni dobór pierwiastków nie jest problemem trywialnym, ponieważ skład chemiczny wytworzonych stopów Zn ma kluczowe znaczenie dla oceny biozgodności i podatności na biodegradację.
Bezpośrednią motywacją do podjęcia badań w ramach niniejszej rozprawy doktorskiej, a zarazem jej głównym celem, było opracowanie nowych bioresorbowalnych stopów Zn spełniających, wymagania mechaniczne stawiane materiałom na implanty bioresorbowalne (wytrzymałość Rm > 300 MPa, granica plastyczności Re > 200 MPa, wydłużenie do zerwania ε
> 15%). Jednocześnie Autorka przyjęła słuszne założenie, że modyfikacja składu chemicznego nie może wpłynąć na szybkość biodegradacji i nie pogorszy wymaganej biozgodności.
Oryginalność rozprawy polega na kompleksowym podejściu do analizy wpływu dodatków stopowych, pełniących różną rolę w umocnieniu stopów Zn oraz określeniu oddziaływania wybranych metod przeróbki plastycznej na mikrostrukturę i kluczowe właściwości z punktu widzenia zastosowań biomedycznych. Na pokreślenie zasługuje także fakt, że zaprezentowane w rozprawie wyniki badań były uzyskane przez Autorkę w ramach szerokiej współpracy w tym z Akademickim Centrum Materiałów i Nanotechnologii AGH oraz podczas staży naukowych we Friedrich-Alexander University of Erlangen w Niemczech, University of Birmingham
w Wielkiej Brytanii oraz EMPA Swiss Federal Laboratories for Materials Science and Technology, Thun w Szwajcarii. Okazała się ona dobrym fundamentem do uzyskania wartościowych i istotnych, nowych informacji z zakresu bioresorbowalnych implantów, a także była potwierdzona przez wspólne publikacje.
Tematyka rozprawy jak i jej koncepcja ma swoją genezę w pracach z zakresu stopów Zn, prowadzonych pod opieką dr hab. inż. Piotra Bały na Wydziale Inżynierii Metali i Informatyki Przemysłowej AGH. Co ciekawe nie jest to jedyny w Polsce ośrodek zajmujący się zaawansowanymi badaniami stopów Zn, co tylko potwierdza aktualność tematyki badawczej.
Ocena formalna rozprawy
Podstawą recenzowanej pracy jest zbiór 6 artykułów, w tym 4 opublikowanych i 2 złożonych do czasopism z obszaru inżynierii materiałowej. Mgr inż. Maria Wątroba jest pierwszym i wiodącym, a także korespondencyjnym autorem powiązanych tematycznie artykułów ujętych w zbiorze. Doktorantka zamieściła istotne w przypadku publikacji współautorskich oświadczenie o swoim indywidualnym, merytorycznym wkładzie w ich powstanie, a jej udział został oceniony i potwierdzony przez Promotora na 40 do 55%.
Redakcja rozpraw doktorskich opartych na zbiorze publikacji często różni się, ponieważ bywa uwarunkowana wymaganiami zdefiniowanymi przez RND, w tym przypadku przez RND Inżynieria Materiałowa AGH i jest to niezależne od opinii recenzenta na temat preferowanej formy. Niniejsza praca ma formę zwartego opracowania i składa się z siedmiu powiązanych ze sobą rozdziałów, a jej integralną częścią są załączniki w postaci artykułów w oryginalnej formie. Część początkowa, będąca wprowadzeniem/ przewodnikiem po publikacjach, choć ujęta w sposób kompaktowy, pozwala na poznanie kontekstu pracy i zrozumienie problemu
3 badawczego, przed którym stanęła Doktorantka. W kolejnym rozdziale omawiane są hipoteza i cele badań, a ponieważ jest ich kilka, to nazwa powinna uwzględniać liczbę mnogą. W mojej opinii brakuje na tym etapie uzasadnienia dla wyboru składów chemicznych badanych stopów i stosowanych obróbek. Wątek ten pojawia się nietypowo, dopiero w rozdziale 5. Podsumowanie i wnioski. W pracy zawarte są krótkie streszczenia 6 artykułów zawierające tzw. abstrakt graficzny, ale znacznie szersza dyskusja wyników dostępna jest w załączonych publikacjach. Przedostatni rozdział 6 Perspektywy i potencjał aplikacyjny zawiera, syntetycznie ujęte szersze spojrzenie na uzyskane wyniki i osobiście uważam, że powinien być obligatoryjny niezależnie od formy pracy doktorskiej.
Z obowiązku recenzenta należy wymienić stosunkowo drobne uchybienia zauważone podczas lektury niniejszej rozprawy, takie jak nieliczne błędy literowe i interpunkcyjne. Mam wątpliwości, co do kontekstu stosowania przez Doktorantkę słowa „adresować” oraz pojęcia
„przeróbka termodynamiczna” czy termin „gęstość granic”. Zdaniem recenzentki, bardziej poprawną nazwą jest korozja międzykrystaliczna zamiast międzyziarnowa (str.50). Autorka stosuje też skróty myślowe, str.21 – „mierzymy prąd korozji”, chyba chodzi o gęstość prądu, str. 58- „wysterować udziałem granic…” lub niespotykane w pracach technicznych sformułowanie, str. 68 „ zagadnienie to stanowiło przedmiot troski względem opracowanych stopów Zn…” . Nie rozumiem również, co oznacza zdanie „ Jedynie w przypadku tekstury krystalograficznej, nie zaobserwowano wyraźnych zmian w intensywności czy reorientacji ziaren” (str. 46/47).
Ocena merytoryczna rozprawy
Praca jest wielowątkowa i obejmuje dużo problemów badawczych w każdym swoim aspekcie. W pierwszej części artykułów Doktorantka skupiła się na analizie wpływu dodatków stopowych, a w drugiej na oddziaływaniu warunków wytwarzania na mikrostrukturę i właściwości mechaniczne stopów Zn. Ponadto, dwa artykuły dotyczą analizy właściwości korozyjnych i badań aktywności antybakteryjnej. Natomiast ostatni artykuł ze zbioru, obejmuje charakterystykę biologiczną stopu Zn, wykazującego w opinii Doktorantki największy potencjał pod kątem zastosowania na implanty bioresorbowalne, spełniającego wymagania dotyczące wielkości ziarna, wytrzymałości na rozciąganie, granicy plastyczności i wydłużenia do zerwania.
Materiałami badanymi w pracy były 4 grupy stopów, które scharakteryzowano w poszczególnych artykułach: stop Zn-Zr (1 publikacja), Zn-Ag-Zr (1 publikacja), Zn-Ag-Mg (4 publikacje, w tym 2 z dwuskładnikowym stopem Zn-Ag). Wyznaczone w pracy 3 cele badawcze zostały przez Doktorantkę zrealizowane, a sformułowana teza udowodniona.
Do najważniejszych osiągnięć w pracy zaliczam, wskazanie składu chemicznego oraz opracowanie procesu technologicznego, który pozwala na przekształcenie kruchego stopu Zn-3Ag-0,5Mg w stanie lanym w biodegradowalny materiał o pożądanych właściwościach mechanicznych. Było to realne dzięki przeprowadzonej przez Autorkę szczegółowej analizie mechanizmów odkształcenia i umocnienia możliwych do aktywacji oraz ich efektywności
4 w stopach na bazie Zn. Zaproponowany przez Doktorantkę proces, polega na dwuetapowej przeróbce plastycznej, składającej się z wyciskania na gorąco stopu Zn-3Ag-0,5Mg w stanie lanym, oraz walcowania na zimno i następnie krótkiej obróbce termicznej. Doktorantka wykazała przy tym dużą świadomość technologiczną, wybierając procesy pozwalające na uzyskanie większej objętości materiałów, a w perspektywie możliwość dalszego formowania.
Bardzo dobrym pomysłem było również połączenie obróbki termicznej ze sterylizacją implantów, obniżając w ten sposób koszty procesu technologicznego.
Intensywnie prowadzone obecnie w literaturze dyskusje, dotyczące nowej grupy bioresorbowalnych stopów Zn wskazują, iż podjęta w pracy doktorskiej tematyka badawcza jest niezwykle aktualna. Choć proces wprowadzenia nowych rozwiązań materiałowych w implantologii jest długotrwały i złożony, to uzyskane w pracy wyniki badań są istotnym wkładem do wytworzenia prototypu implantu bioresorbowalnego ze stopów Zn w skali przemysłowej.
Najmocniejszą stroną pracy są oczywiście publikacje. Wszystkie ukazały się lub zostały złożone w renomowanych czasopismach z zakresu inżynierii materiałowej, takich jak Materials Characterization, Materials & Design, Metallurgical and Materials Transactions, Bioactive Materials, Corrosion Science i Acta Biomaterialia, IF: od 2,191 do 8,724 (śr.: 6), a liczba punktów MEN od 100 do 200 pkt. (śr: powyżej 150). Bezdyskusyjnie jest to duże osiągnięcie Doktorantki, która była odpowiedzialna za opracowanie i wytworzenie materiału do badań, prowadzenie i nadzorowanie większości eksperymentów, w tym charakterystyki mikrostrukturalnej SEM-EDS-EBSD, badań mechanicznych, badań korozyjnych, w tym analizy produktów korozji po testach zanurzeniowych, analizy składu fazowego warstwy korozyjnej techniką dyfrakcji rentgenowskiej XRD. Nadzorowała także badania komórkowe oraz antybakteryjne. W mojej ocenie, wybór metod badawczych do realizacji celów pracy nie budzi zastrzeżeń, a oryginalność uzyskanych wyników została potwierdzona recenzowanymi publikacjami, w których przedstawiona jest analiza i dyskusja na wysokim poziomie naukowym. Jako wielokrotna recenzentka prac doktorskich oraz promotorka rozpraw, w tym w oparciu o zbiór publikacji, życzyłabym innym młodym naukowcom tak wartościowego dorobku publikacyjnego.
Pracę doktorską Autorka zakończyła (rozdział 5) podsumowaniem najważniejszych wyników badań. Wskazała również swój oryginalny wkład w rozwiązanie problemu naukowego, który jest przedmiotem rozprawy oraz sformułowała wnioski, podkreślające istotę osiągniętych wyników, ponadto kierunki dalszych badań nakreśliła w rozdziale 6- Perspektywy i potencjał aplikacyjny. Zresztą rozdział ten zawiera dodatkowe, interesujące wyniki o charakterze aplikacyjnym. W wyniku zastosowania procesu wielokrotnego walcowania, Doktorantce udało się uzyskać z opracowanego stopu półprodukty w formie drutów, które mogą być wykorzystane do produkcji stentów. Nawiązanie współpracy z firmą (niestety Autorka nie podała nazwy), produkującą implanty do zastosowań w medycynie i weterynarii, umożliwiło wykonanie prototypu bioresorbowalnej śruby ze stopu Zn-3Ag- 0,5Mg.
5 Zachęcona bardzo wysokim poziomem naukowym publikacji zawartych w zbiorze, chciałabym poznać opinię Doktorantki w kilku kwestiach, w tym odnoszących się do nieco słabszej części opisowej pracy:
1. W Tabeli 1 podano wybrane wymagania stawiane implantom bioresorbowalnym, z czego wynika założenie, że wielkość ziarna musi być mniejsza od 30 µm?
2. Zgodnie z Tabelą 2, moduł Younga czystego Zn wynosi 30-120 GPa, czym uzasadniony jest tak duży zakres wartości i jakim modułem Younga charakteryzują się materiały wytwarzane w ramach pracy? Czy gęstość tych materiałów nie stanowi ograniczenia w zastosowaniach w bioinżynierii?
3. Na czym polega mechanizm umocnienia granic ziaren wydzieleniami (str. 18) i czym różni się od powszechnie znanego w literaturze umocnienie wydzieleniowego?
4. Czy biodegradowalne materiały takie jak Zn i jego stopy w organizmie człowieka są w stanie pasywnym, czy też aktywnym oraz jak wpływa wielkość ziarna, w szczególności nanostruktura na odporność korozyjną w tych stanach?
5. Dlaczego zgodnie z danymi w pracy, w początkowym etapie po implantacji uwalnia się dużo jonów Zn+2, skoro z przedstawionych reakcji zachodzących na powierzchni wynika, że tworzy się warstwa tlenkowa? Czy w trakcie przebywania w organizmie nie dochodzi do wydzielania wodoru? Na czym de facto polega proces biodegradacji Zn i jego stopów?
6. Czy końcowa krótkotrwała obróbka termiczna prowadzona była w atmosferze ochronnej (publikacja Bioactive Materials), a jeśli nie to czy powinowactwo Zn do tlenu i tworzące się warstwy mogły wpłynąć na uzyskiwane wyniki, dotyczące odporności na korozję i biozgodności?
7. Nieco szerszego komentarza wymaga wpływ tekstury na odporność korozyjną badanych stopów, wątek ten jest sygnalizowany w pracy.
8. Dlaczego do badań korozyjnych wybrano roztwór Hanks’a, a nie Ringera czy PBS (publikacja zgłoszona do Corrosion Science)?
9. W jaki sposób określono grubość warstwy pasywacyjnej w publikacji w czasopiśmie Materials&Design (opis str.38)?
Wnioski końcowe
Zbiór powiązanych tematycznie publikacji, będących podstawą rozprawy doktorskiej potwierdza oryginalność problemu naukowego i jego rozwiązania, zaproponowanego przez Doktorantkę. Autorka jest bardzo sprawnym, młodym badaczem, posiadającym szeroką i ugruntowaną wiedzę oraz umiejętność prowadzenia pracy naukowej, w tym doboru odpowiednich instrumentów badawczych do postawionego problemu. Z pełnym przekonaniem mogę stwierdzić, że rozprawa doktorska pt. „„Nowe bioresorbowalne stopy cynku do zastosowań biomedycznych” spełnia wymagania formalne, a Pani mgr inż. Maria
6 Wątroba zasługuje na stopień doktora nauk technicznych w dyscyplinie inżynieria materiałowa. Wnoszę zatem o dopuszczenie jej do dalszych etapów przewodu doktorskiego.
W mojej opinii recenzowana praca ma dużą wartość naukową i to nie tylko w zakresie wskazanym przez Autorkę oraz potwierdzonym w artykułach, zamieszczonych w najlepszych czasopismach z obszaru inżynierii materiałowej. Uzyskane wyniki są inspirujące oraz mogą być podstawą do konkluzji bardziej ogólnych, dotyczących wpływu składu chemicznego i mikrostruktury na odporność na korozję i biozgodność metali do zastosowań na implanty.
Wnioskuję zatem o wyróżnienie pracy, jeśli spełnione są formalne wymagania wskazane przez RD Inżynieria Materiałowa AGH.
Halina Garbacz
