1. Zasadność podjęcia tematu rozprawy doktorskiej i jej zakres

Transkrypt

1 Dr hab. inż. Grzegorz MILEWSKI, prof. PK Kraków, Zakład Mechaniki Doświadczalnej i Biomechaniki Instytut Mechaniki Stosowanej Politechnika Krakowska RECENZJA rozprawy doktorskiej mgr inż. Angeli Jadwigi ANDRZEJEWSKIEJ pt. Wytrzymałość zmęczeniowa biodegradowalnych zespoleń kości w warunkach in vitro Podstawa opracowania: pismo Prodziekana ds. Nauki Wydziału Inżynierii Biomedycznej Politechniki Śląskiej prof. dr hab. inż. Zbigniewa Paszendy nr RIB/D/66/2018/2019 z dn r. 1. Zasadność podjęcia tematu rozprawy doktorskiej i jej zakres Tendencja personalizacji rozwiązań, tzw. custom design procedure, w konstrukcji i doborze materiału stanowi najbardziej aktualne wyzwanie inżynierii biomedycznej, szczególnie istotne w chirurgii tkanki kostnej i leczeniu pooperacyjnym. Tempo tworzenia się, konsolidacji i stabilizacji nowej struktury kostnej dla każdego przypadku jest na ogół indywidualne. Niewłaściwie prowadzona przebudowa tkanki twardej, przy nie w pełni wykształconej warstwie korowej, może spowodować zniszczenie obciążanego regeneratu kostnego, natomiast zbyt późny demontaż stabilizatora lub niewłaściwa resorpcja rusztowania kostnego powoduje niepotrzebną demineralizacje odłamów kostnych, co w konsekwencji może powodować silne zmiany osteoporotyczne mogące prowadzić do późniejszych złamań. Z tego względu zagadnienia kształtowania i doboru, czy wręcz optymalizacji, własności wytrzymałościowych biomateriałów jako substytutów kostnych, zarówno w warunkach obciążeń quasi statycznych jak i cyklicznie zmiennych, stanowią bardzo aktualną i złożoną, a równocześnie ciągle nie w pełni rozwiązaną problematykę badawczą. 1

2 Plan badań przyjęty w rozprawie zakładał wyjaśnienie zmian zachodzących w zachowaniu mechanicznym, przy obciążeniach monotonicznych oraz cyklicznie zmiennych, biodegradowalnego materiału otrzymywanego wariantowymi metodami wytwarzania oraz poddanego oddziaływaniu w warunkach in vitro degradującego środowiska hydrolitycznego. Można więc stwierdzić, że realizując przyjęte wyzwania badawcze Doktorantka podjęła się w swojej pracy aktualnego i ważnego zadania w zakresie rozwoju spersonalizowanych biodegradowalnych zespoleń kostnych w postaci stabilizatorów czy rusztowań (tzw. scaffolds) stosowanych jako elementy wypełniające i wzmacniające w leczeniu ubytków i złamań kostnych. Swoje opracowanie Autorka przedstawiła łącznie na 127 stronach zawierających tekst pracy, tabele, rysunki, wykresy oraz wykaz cytowanej literatury. Fundamentalne dla pracy to rozdziały 3 6. W rozdziale 3 Doktorantka formułuje hipotezę, określa cele badawcze oraz zakres i metodykę pracy, szczegółowo zilustrowane schematem planu badawczego. Rozdział 4 opisuje przyjętą metodykę i badany materiał wraz z opisem technologii otrzymywania próbek. Rozdziały 5 i 6 zawierają badania własności mechanicznych i fizykochemicznych degradowanych biopolimerów. Część badań własnych Doktorantka podsumowuje w rozdziale 7 określając tendencje zmian wytrzymałości doraźnej i zmęczeniowej oraz cech morfologicznych PLA w wyniku degradacji hydrolitycznej, eksponując oryginalne elementy swojej rozprawy udowadniające przyjęte cele i założoną hipotezę badawczą oraz wskazując na kierunki dalszych badań. 2. Ocena merytoryczna rozprawy Praca ma typowo doświadczalny charakter. Moim zdaniem Doktorantka prawidłowo oceniła podjęty przez siebie problem, do którego zastosował odpowiednie narzędzia nowoczesnych metod pomiarowych własności wytrzymałościowych, strukturalnych i termicznych. Do najważniejszych osiągnięć Doktorantki moim zdaniem należy zaliczyć: obszerne i wyczerpujące studium literaturowe dotyczące metod badań elementów kształtowanych technologiami addytywnymi dla materiałów polimerowych, w szczególności biopolimerów, opracowanie metody doświadczalnej weryfikacji zachowania mechanicznego biodegradowalnego polilaktydu (PLA) wytwarzanego w technologii osadzania 2

3 stopionego materiału oraz poddawanego degradacji hydrolitycznej w warunkach in vitro, wykazanie w ramach opracowanej metodologii następujących prawidłowości: - obniżenie wartości parametrów wytrzymałościowych, w szczególności trwałości zmęczeniowej, próbek drukowanych trójwymiarowo w stosunku do próbek wtryskiwanych, - próbki o kątowym ułożeniu włókien materiału w technologii druku 3D charakteryzowały się wyższymi wartościami wytrzymałościowymi i czasem życia w badaniach zmęczeniowych niż próbki o poprzeczno-wzdłużnym ułożeniu włókien względem osi obciążenia, - zależność w funkcji kwadratowej spadku wartości wytrzymałości i energii dyssypacji od czasu kondycjonowania hydrolitycznego w próbach quasi statycznych dla wszystkich badanych materiałów, przy braku jednoznacznych zmian modułu sprężystości wzdłużnej, - utrata wytrzymałości zmęczeniowej (ponad 100-krotna) PLA już po czterotygodniowym kondycjonowania hydrolitycznym niezależna od technologii wykonania próbek, staranne przeprowadzenie klasycznej obróbki statystycznej wyników badań w analizach wariancji i testach istotności, zastosowanie zaawansowanych metod klasyfikacyjnych do ustalenia korelacji między różnymi klasyfikacjami uwzględniającymi różne metody wytwarzania próbek i różne czasy degradacji hydrolitycznej, wskazanie na konieczność opracowania odpowiednich norm dla badań własności mechanicznych i fizykochemicznych drukowanych materiałów polimerowych do zastosowań w rekonstrukcji tkanki kostnej; w tym aspekcie praca może stanowić zaczątek procedury opracowywania stosownych regulacji i norm. Podsumowując tę część opinii mogę stwierdzić, że przedstawiona do oceny rozprawa zawiera aspekty poznawcze, a wymienione powyżej jej elementy stanowią niezaprzeczalnie oryginalny dorobek Autorki w zakresie kształtowania, badań i zastosowania biodegradowalnych materiałów polimerowych w inżynierii biomedycznej. 3

4 3. Uwagi krytyczne W punkcie tym chciałem przedstawić główne uwagi krytyczne, które nasunęły mi się po zapoznaniu się z recenzowaną pracą. Najważniejsze z nich to: moim zdaniem tytuł pracy jest zbyt ogólny; praca przedmiotowo dotyczy tylko materiałów biodegradowalnych na bazie polilaktydu; badaniom w warunkach in vitro podlegały próbki otrzymane metodą wtrysku lub druku 3D, a nie system zespolenia z odłamami kostnymi, co sugeruje tytuł; z drugiej strony w zakresie badań własnych Autorka znacznie szerzej realizuje podjęty temat, poza badaniami zmęczeniowymi, uwzględniając również quasi statyczne własności wytrzymałościowe, badania morfologiczne czy analizy termograwimetryczne, polemiczną może być moja uwaga o arbitralnym przyjęciu wartości częstotliwości 5 Hz w badaniach zmęczeniowych; dynamizacja obciążenia w procesie kostno zrostu stanowi praktycznie aksjomat w bioinżynierii; wśród różnych stymulatorów przebudowy tkanki kostnej uwzględnia się m.in. liczbę cykli odkształceń/naprężeń na dzień, czy częstotliwość chodu; wg literatury wartości progowe dla tych stymulatorów, skutkujące pozytywnymi efektami przebudowy tkanki kostnej, to odpowiednio (30 300) cykli na dzień przy poziomie odkształceń ok. 10-4, co odpowiada max. 0.2 Hz oraz chwilowe częstotliwości chodu w zakresie (1 30) Hz, w nawiązaniu do powyższej uwagi polemiczne może też być przyjęcie w analizie zmęczeniowej małego współczynnika asymetrii cyklu R = 0.1, co generalnie determinuje duże amplitudy widma naprężeń; czy jest to zamierzenie celowe mające na celu osiągnięcie trwałości zmęczeniowej już w zakresie nisko czy średnio cyklowego zniszczenia zmęczeniowego ( ) cykli? w nawiązaniu do odkształceniowego stymulatora przebudowy tkanki kostnej jakie temu towarzyszą poziomy odkształceń? Pozostałe uwagi mają charakter uwag szczegółowych: wzór (3) jest błędnie sformułowany; jeżeli ma mieć zależność funkcyjną, to jest to funkcja górnej granicy całkowania w tym przypadku odkształcenia; jeżeli ma natomiast odzwierciedlać używana w rozprawie energię pochłoniętą (pracę 4

5 zniszczenia) to jest to całka oznaczona w granicach ( 0 odkształcenie przy zniszczeniu ), Doktorantka w przedstawionych tabelach (m.in. Tab.1 i 7) wydłużenie określa w % ; wydłużenie/deformacja ma swoją jednostkę np. mm, natomiast odkształcenie podawane jest w % lub jako wielkość bezwymiarowa, sztywność nie jest tożsama z modułem sprężystości (str. 108), czy w tabeli 2 nie są zawyżone wartości wytrzymałości naściskanie dla PLA i PGA (górne wartości odpowiedni 500 i 920 MPa)? biopolimery takich wartości nie przyjmują, spotkałem się z wartością 750 MPa ale dla rovingowanego włókna PGA przy jego wysokim module sprężystości 13.4 GPa. Praca jest napisana starannie edycyjnie, dobrą polszczyzną, dobrze się ją czyta, chociaż Autorka nie ustrzegła się pewnych błędów redakcyjnych: nielicznych błędów składniowych, w tym w streszczeniu w j. angielskim, znaczeniowych (np. wielkości policzalne określa się pojęciem liczba nie ilość - m.in. Tab. 9, str. 63 ilość cykli, czy w formatowaniu wykazu cytowanej literatury podwójna numeracja pozycji literaturowych od [42] do [53] lub braku podania oficyny wydawniczej w poz. [6, 29, 58, 157]. Uwagi te oczywiście nie obniżają wartości merytorycznej rozprawy doktorskiej oraz mojej jednoznacznie pozytywnej o niej opinii. 4. Wniosek końcowy Po zapoznaniu się z treścią rozprawy stwierdzam, iż w moim przekonaniu praca jest metodycznie poprawna, jej cel został zrealizowany, a przyjęta hipoteza badawcza udowodniona. Autorka przedstawiła własną, oryginalną procedurę badań własności mechanicznych i fizykochemicznych drukowanych materiałów polimerowych do zastosowań w rekonstrukcji tkanki kostnej. Doktorantka wykazała się umiejętnością samodzielnego prowadzenia prac badawczych, popartą bardzo dobrym przygotowaniem w zakresie przeglądu literaturowego przedmiotowego zagadnienia. Dorobek naukowy oraz rozprawę doktorską mgr inż. Angeli Jadwigii Andrzejewskiej można sklasyfikować w dziedzinie nauk technicznych w dyscyplinie biocybernetyka i inżynieria biomedyczna. 5

6 Opiniowana praca odpowiada wymaganiom stawianym rozprawom doktorskim i w nawiązaniu do Ustawy z dnia 14 marca 2003 r. o stopniach naukowych i tytule naukowym oraz o stopniach i tytule w zakresie sztuki, wnoszę o jej przyjęcie i dopuszczenie Autorki do publicznej obrony przed Radą Wydziału Inżynierii Biomedycznej Politechniki Śląskiej. Równocześnie, przy założeniu prawidłowej obrony pracy doktorskiej, ze względu na wysoki poziom naukowy pracy, aktualność tematyczną, obszerny zakres badawczy i właściwą realizację rozprawy wnoszę o jej wyróżnienie. 6