|
|
Interconnection of three-dimensional printing, material science and bone tissue engineering for creating ideal bone scaffolds
Šromová, Veronika
The interconnection of three-dimensional (3D) printing, material science, and bone tissue engineering holds immense promise in the realm of scaffold development for bone repair. This work delves into the intricate interplay between various factors influencing the success hydroxyapatite biomaterials in bone regeneration, including material selection, porosity, structural design, surface modification, and other mechanical characteristics. Our aim is the pursuit of ideal biomaterials possessing both favorable biological responses and mechanical integrity. Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) is used to analyze the chemical structure of the material, particularly the chemical bonds present. Using SEM, we were subsequently able to analyze the microstructure and nanostructure of the 3D printed hydroxyapatite sample.
|
|
|
Ceramic materials and composites for advanced applications
Mařák, Vojtěch ; Částková, Klára (oponent) ; Michálková,, Monika (oponent) ; Drdlík, Daniel (vedoucí práce)
This thesis focuses on advanced oxide ceramics and particle and laminate composites. The materials studied include bioceramic hydroxyapatite, thermomiotic aluminium tungstate, and lead-free barium titanate-based piezoelectrics. These ceramics suffer from several limitations in their processing and properties, including the use of toxic stabilisers, low densification, susceptibility to cracking, undesirable chemical reactions, and poor mechanical and electrical performance. This work addresses these issues by tailoring individual processing steps and employing novel fabrication and treatment methods to optimise the desired performance of the materials. Plasma treatment of hydroxyapatite powder allowed electrophoretic deposition without toxic stabilisers, resulting in denser and crack-free coatings, as was also showcased on orthopaedic screws. Thermomiotic aluminium tungstate, known for its near-zero coefficient of thermal expansion, was synthesised by optimised co-precipitation to produce a powder with improved sinterability. Rapid pressure-less sintering and spark plasma sintering were used to densify the material to the highest density at the lowest temperature to date. The microstructural evolution of barium titanate piezoceramics was studied using rapid pressure-less sintering and radiation assisted sintering. The gained knowledge was used to sinter barium titanate-based particle composites with reinforcing tougher oxide ceramics. High reactivity between selected materials had a negative influence on the properties of the composites, and one of the reaction products was characterised in greater detail. Laminated composites were prepared by alternating barium titanate-based and dielectric zirconia layers. The high reactivity of piezoelectric materials was inhibited by the sintering strategy. In summary, this dissertation thesis aims to improve the understanding of ceramic material properties and processing techniques, provide insight into performance optimisation, and address critical limitations across diverse applications.
|
|
|
Kompozitní materiály Mg-hydroxyapatit připravené práškovou metalurgií
Řičánek, Adam ; Doskočil, Leoš (oponent) ; Buchtík, Martin (vedoucí práce)
Tato bakalářská práce je zaměřena na přípravu kompozitního materiálu hořčík-hydroxyapatit metodami práškové metalurgie. Teoretická část se zabývá hořčíkem, hořčíkovými slitinami a hořčíkovými materiály. Následně jsou v teoretické části shrnuty základní poznatky týkající se práškové metalurgie, zpracování materiálů připravených práškovou metalurgií a kompozitních materiálů s kovovou matricí. V experimentální části bakalářské práce byly připraveny dvě série vzorků kompozitních materiálů s různým obsahem hydroxyapatitu kompozitní materiály zpracované smícháním Mg a plniva a kompozitní materiály zpracované semletím Mg a plniva. U obou sérií vzorků byla v rámci charakterizace zkoumána mikrostruktura a prvkové složení, tvrdost, pevnost v tlaku a korozní odolnost. U kompozitů připravených mletím byla pozorována vysoká homogenita materiálu. Tvrdost, pevnost v tlaku i korozní odolnost se s rostoucím obsahem hydroxyapatitu zvyšovala. U série kompozitů připravených mícháním byla pozorována heterogenní struktura materiálu. S rostoucím obsahem plniva nebyl pozorován evidentní trend nárůstu tvrdosti, korozní odolnost se mírně zvýšila. Pevnost v tlaku s rostoucím obsahem hydroxyapatitu klesala v důsledku nižší soudržnosti a nekompaktnosti struktury.
|
|
|
Příprava podvojných vrstevnatých hydroxidů na kompozitních Mg-hydroxyapatit substrátech
Knoflíček, Milan ; Doskočil, Leoš (oponent) ; Buchtík, Martin (vedoucí práce)
Cílem bakalářské práce byla příprava a charakterizace povlaků na bázi podvojných vrstevnatých hydroxidů (LDH) na Mg kompozitních substrátech připravených práškovou metalurgií. Jako plnivo byl použitý hydroxyapatit (HAp). Depozice MgAl-LDH povlaků na povrch kompozitů proběhla v reakční směsi obsahující Al(NO3)3 při pH 10 a teplotě 95 °C. Morfologie a struktura vzorků byly charakterizovány pomocí rastrovací elektronové mikroskopie (SEM). Prvkové složení jak samotných kompozitů, tak i připravených povlaků, bylo charakterizováno energiově disperzní spektroskopií (EDS). Analýzou struktury Mg-HAp kompozitů bylo zjištěno, že se vzrůstající koncentrací výztuže docházelo k nárůstu četnosti aglomerátů HAp. Nejvyšší četnost aglomerátů byla detekována ve vzorcích obsahujících 20 a 50 hm. % HAp plniva, u kterých bylo zároveň zaznamenáno na rozdíl od ostatních vzorků výrazné zhoršení korozních vlastností. Naopak nejlepší korozní odolnost vykazoval vzorek s 1 hm. % plniva. Ostatní vzorky s obsahem plniva od 0 do 10 hm. % byly z hlediska korozní odolnosti relativně podobné. Potenciodynamické testy prokázaly, že povlakované vzorky vykazují řádově vyšší korozní odolnost ve srovnání se vzorky nepovlakovanými. U povlakovaných vzorků s obsahem HAp do 10 hm. % včetně byla pozorována uniformní vrstva LDH. Na vzorcích s vyšším obsahem výztuže, tj. s 20 a 50 hm % HAp, byla detekována přítomnost trhlin související s přítomností objemných HAp aglomerátů. V těchto místech byla pozorována i nižší adheze povlaku. Bylo zjištěno, že pro dosažení vysokých kvalit LDH povlaků je optimální množství HAp výztuže míchaných a následně lisovaných Mg-HAp kompozitů do 5 hm. % HAp. Vyšší obsah HAp ve vzorcích vedl zpravidla ke vzniku defektů nebo zhoršení korozních vlastností.
|
|
|
Optimalizace přípravy biokompatibilních kompozitních směsí na bázi Ti/hydroxyapatit
Slovák, Tomáš ; Matějková, Michaela (oponent) ; Čížek, Jan (vedoucí práce)
Bakalářská práce se zabývá optimalizací přípravy biokompatibilních kompozitních směsí na bázi titanu a hydroxyapatitu. Teoretická část je zaměřena na biomateriály, blíže pak specifikuje titan a hydroxyapatit. Následuje přiblížení principu mechanického legování. Experimentální část práce popisuje přípravu směsí biokompatibilních prášků mechanickým legováním a jejich následné analýzy. V diskuzi jsou shrnuty výsledky a poznatky, které byly získány v experimentální části.
|
|
|
Reologie hydrogelů kolagenu a jeho nanokompozitů
Voldánová, Michaela ; Vojtová, Lucy (oponent) ; Jančář, Josef (vedoucí práce)
Tato bakalářská práce směřuje k fenomenologickému popisu reologického chování čistého kolagenu I i jeho nanokompozitů s příměsí hydroxyapatitu ve čtyřech koncentracích. Měření bylo prováděno na reometru v konfiguraci kužel – deska pro rozsah smykových rychlostí od 0 s-1 do 100 s-1 za definovaných podmínek. Při teplotě 4 °C je kolagen ve vzorcích o daném složení rozpuštěn, zachovává si zde svůj nativní charakter a prekurzory hydrogelů setrvávají v kapalném stavu. Zahříváním vodného roztoku kolagenu o neutrálním pH dochází k spontánnímu procesu zesítění do fibrilárních struktur. Při 37 °C fibrily dorůstají do struktury gelu, ovšem rychlost jeho vzniku je závislá na obsahu kolagenových vláken. Naměřená data jsou zpracována ve formě tokových a viskozitních křivek, z nichž je vyhodnoceno a porovnáno reologické chování vzorků či strukturální a transformační změny jako odezva na mechanické zatížení a změnu teploty. Tyto poznatky mohou být využity při manipulaci s hydrogely. Obecně mohou posloužit jako základ pro další výzkum kolagenu, jeho interakcí s HAP a faktorů ovlivňujících jejich stabilitu či účinnost.
|
|
|
Structure and properties of Hydroxyapatite-Magnesium composites produced by the means of current assisted infiltration sintering
Casas Luna, Mariano ; Obrtlík,, Karel (oponent) ; Georgarakis, Konstantinos (oponent) ; Čelko, Ladislav (vedoucí práce)
Magnesium and calcium phosphate composites are promising materials to create biodegradable and load-bearing implants for bone regeneration. The present work is focused on the design, processing and characterization of interpenetrated magnesium / calcium phosphate (Mg/CaP) composites. Calcium phosphates such as, hydroxyapatite (HA), calcium-deficient HA (CDHA) and tricalcium phosphate (TCP) were synthetized and used for the production of controlled porous scaffolds by means of robocasting technique. The final porous preforms with an orthogonal grid arrangement and internal macro-pores of ~500 µm were obtained and sintered at 1100 C for 5 h. The Mg/CaP interpenetrated composites were obtained by infiltrating the porous ceramic scaffolds with pure Mg and Mg alloys containing low amounts of calcium or zinc, i.e. Mg – 0.2 wt.% Ca and Mg – 1 wt.% Zn. The infiltration was carried out using a here-developed and recently introduced technique referred to as Current-Assisted Metal Infiltration (CAMI). The CAMI methodology allowed the infiltration of porous ceramic preforms with a molten metal in less than 15 minutes. Fast melting and final solidification of the Mg/CaP composites was achieved with the assistance of pulsed electrical current. The final interpenetrated composites were physicochemically characterized by means of scanning electron microscopy, X-ray computed micro-tomography, X ray diffraction and optical microscopy in order to determine the phase distribution and the interaction between the materials. In addition, the mechanical resistance under compression, the degradation rate by different techniques, and the biocompatibility of the produced composites were evaluated in an attempt to introduce these types of materials as potential degradable biomaterials for use in the manufacturing of plates and/or screws for orthopaedics.
|
|
|
Pokročilá keramika pro tkáňové inženýrství
Vojtíšek, Jan ; Koplík, Jan (oponent) ; Bartoníčková, Eva (vedoucí práce)
Tato bakalářská práce se zabývá problematikou keramických materiálů vhodných pro tkáňové inženýrství. Uměle vytvořené náhrady lidské tkáně můžeme rozdělit do několika generací. Patří tam inertní, bioaktivní a bioresorbovatelné materiály. Resorbovatelné náhrady se připravují z materiálů, které nahradí hostitelskou tkáň, např. hydroxyapatit. HA se může připravit několika způsoby, které jsou rozděleny na dvě hlavní skupiny (suchá a mokrá cesta). Pro lepší využití v medicíně se používají keramické pěny, které se nejčastěji připravují pěněním in situ nebo replikační technikou. Experimentální část se zabývá přípravou hydroxyapatitového prášku a optimalizací postupu. Vzorky byly charakterizovány IČ a Ramanovou spektrometrií, XRD analýzou a sledována velikost částic na SEM. In situ pěněním byly připraveny pěny z Al2O3, čistého HA a kompozitu (v poměrech 50 – 50, 75 – 25 a 90 – 10). Byla měřena jejich porozita stereolupou, objemová hmotnost a sledování slinutí SEM mikroskopií.
|
|
|
Impact of macro channels on mechanical stability of bone scaffolds during indirect 3D printing
Vojníková, Michaela ; Novotná, Lenka (oponent) ; Salamon, David (vedoucí práce)
Porous materials are currently subject to the great interest of tissue engineering. They provide unique properties such as bioactivity, biodegradability, osteoconductivity, and vascularization. Particularly, ceramic porous systems show appreciable potential in medical applications. However, there is a crucial problem with the porous scaffold on account of their bad mechanic properties and therefore they are presently used only at low-load locations. This thesis focuses on the preparation of the scaffolds made of hydroxyapatite by using the freeze-casting method where the indirect 3D printing was applied to get open channels with the size over 200 µm. It also compares the mechanical properties of the scaffolds with different internal structures and monitors how the implementation of different types of grids affects the resulting stability. The scaffolds were prepared with a different arrangement of macro-channel in the internal structure, but they had equal dimensions as common property. The 3D grid was implemented before freezing into the mold and afterward the grid was eliminated by sintering, leaving only a channel system with the size 540-600 µm in the final scaffold. The influence of the type of the 3D grid on the resulting mechanical stability of the scaffold was determined. Rotation of this grid does not have a significant effect on the result, while it only helps with cracking in the direction of the helix. The combination of these methods reports very good controllability with directed macro-channels in the resulting scaffold and therefore it is suitable for the preparation of the bone-implants with different structures.
|
|
|
Studium přípravy a vlastností biokeramických kompozitů na bázi Ca-fosfátů a ZrO2
Sláma, Martin ; Drdlík, Daniel (oponent) ; Cihlář, Jaroslav (vedoucí práce)
Diplomová práce se zabývá přípravou biokeramických kompozitních materiálů na bázi Ca-fosfátů a ZrO2. Byla provedena řada experimentů zaměřených na stanovení vhodného složení suspenzí. Úprava suspenzí vysokoenergetickým mletím měla za cíl přípravu depozitů s dobrými fyzikálními a mechanickými vlastnostmi pomocí EPD. Bylo provedeno hodnocení vlivu doby mletí, množství kyseliny monochloroctové v isopropanolové suspenzi, indiferentního elektrolytu LiCl a ZrO2 na průběh depozic a výsledné vlastnosti depozitů. Vliv slinovací teploty, doby mletí a obsahu vláken ZrO2 na chemické a strukturní složení byl určen pomocí rentgenové analýzy, měřením hustoty a strukturní analýzou pomocí skenovacího elektronového mikroskopu. Mechanické a bioaktivní vlastnosti slinutých depozitů byly stanoveny v závislosti na době mletí a obsahu ZrO2 vláken.
|
host ::
RSS.