|
|
Neural bioceramic scaffold prepared by freeze-casting
Vojníková, Michaela ; Pejchalová, Lucie (referee) ; Salamon, David (advisor)
Pre regeneráciu a rast poranených nervových vlákien bolo preskúmaných mnoho postupov, no výsledný rast axónov je často náhodný až dezorganizovaný a odráža sa na zložitejšom zotavovaní pacienta. V tejto práci boli vyrobené nové skafoldy s mikroštruktúrnymi a mechanickými vlastnosťami nervového skafoldu pomocou metódy freeze-casting. Konkrétne boli vyrobené biokeramické skafoldy na báze fosforečnanov vápenatých, oxidu titaničitého alebo oxidu zirkoničitého. Pomocou kontrolovaného rastu ľadu v jednom smere bola pripravená orientovaná mikroštruktúra. Pozorovanie pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie potvrdilo lineárne orientované póry (lamelárny systém), v ktorých priemerná veľkosť pórov klesala so zvyšujúcou sa rýchlosťou mrazenia. Skafoldy pripravené pomocou mrazenia v tekutom dusíku vykazovali vynikajúce mechanické vlastnosti, kde pevnosť v ohybe bola získaná v rozmedzí 10–17 MPa. Tie isté skafoldy mali vzdialenosť medzilamelamelárnych priestorov 10–30 µm, ktorých parametre sú vhodné pre nervové skafoldy. Biokompatibilita bola vyhodnotená pomocou Schwannových buniek in vitro, kde bola pozorovaná adhézia a rast v lamelárnom smere. Cytotoxické testy odhalili negatívny vplyv vyššej koncentrácie vápnika na prežitie Schwannových buniek. Pripravené skafoldy mali schopnosť tvorby apatitu na povrchu v podobe embryonálnych a nukleačných centier a apatitu samotného. Skafoldy na báze fosforečnanov vápenatých a oxidu titaničitého vykazovali sľubné regeneračné vlastnosti, konkrétne adhéziu a rast prostredníctvom pórovitej štruktúry a taktiež vynikajúce mechanické vlastnosti.
|
|
|
Development of photosensitive ceramic suspensions for 3D printing of porous bioscaffolds
Ravasová, Michaela ; Novotná, Lenka (referee) ; Částková, Klára (advisor)
The aim of the diploma thesis is the development of light-sensitive ceramic suspensions for the creation of porous bioscaffolds using 3D printing. The suspensions were based on aluminum oxide in the first phase and, in the second phase of the experimental part, on calcium phosphate. The theoretical part of the thesis focuses on describing human bone and the properties of bioscaffolds, providing an overview of biomaterials and methods for preparing porous bioceramics, along with a summary of previous results achieved by other scientific groups in the field. The experimental part describes the development of the suspensions. The influence of monomers, photoinitiators, dispersants, and ceramic powders on the properties of the suspensions and their photopolymerization ability was observed. By optimizing the suspensions, a suitable composition for 3D printing of scaffolds from aluminum oxide was achieved. The amount of dispersant and ceramic powder was determined based on rheological measurements, and the ratio of monomers and initiator content was adjusted according to gelation tests, where the dependence of resin polymerization on the illumination time was monitored. The suspensions were subsequently printed and sintered. The microstructure of the sintered bodies was characterized with a focus on defects specific to the debinding process. After creating a suspension suitable for 3D printing from aluminum oxide, the same procedure was applied to develop suspensions based on calcium phosphates. The outcome of the diploma thesis is a suspension based on aluminum oxide or tricalcium phosphate prepared from a mixture of di- and tetrafunctional acrylates in a weight ratio of 1:1, with 73-77 wt.% or 65 wt.% powder filling and 2 wt.% or 3 wt.% dispersant. The suspension is suitable for stereolithographic 3D printing of thin-walled bodies for biomedical applications.
|
|
|
Porous-alumina-assisted formation of metal and metal-oxide nanostructures for use in advanced micro-devices
Kamnev, Kirill ; Mardare, Andrei Ionut (referee) ; Blanchar, Xavier Correig (referee) ; Mozalev, Alexander (advisor)
Anodizace kovů přes masku porézní anodické aluminy (PAA) je použita namísto nanoporézní anodizace nebo tradičních nanofabrikačních metod na výrobu nových nanostrukturovaných oxidů kovů se zdokonalenými parametry. Vylepšování vlastností oxidů ZrO2 a HfO2 nanostrukturováním vzbuzuje podstatný zájem kvůli aktivní komercionalizaci těchto oxidů kovů. Nanostrukturování ZrO2 a HfO2 anodizací je náročné kvůli včasné krystalizaci anodického oxidu a téměř nulovému transportnímu číslu kationtů. Tyto problémy jsou řešeny systematickým zkoumáním anodického chování dvouvrstev složených z tenké vrstvy Al nadeponované na vrstvě Zr nebo Hf. Po prvý krát je dosažen reprodukovatelný růst ZrO2 nanostruktur přes masku PAA, které plní póry PAA masky jenom částečně. Tyto vnořené ZrO2 nanostruktury se projevují zlepšeným dielektrickým výkonem v širokém rozsahu frekvencí s nízkými zbytkovými proudy a vysokými hodnotami průrazného napětí. Tyto vlastnosti z nich dělají atraktivní struktury pro použití v mokrých a hybridních elektrolytických kondenzátorech. Vrstvy s rovným povrchem, kompatibilní se standardními metodami nanofabrikace a obsahující ZrO2 nanostruktury kompletně plnící póry PAA masky, jsou syntetizovány kombinací anodizace přes masku PAA s částečným rozpuštěním PAA. Tyto vrstvy jsou použity v experimentálních MIM mikrokondenzátorech, které vykazují nízké zbytkové proudy, vysoké hodnoty průrazného napětí, vysoké hustoty energie, nízké hodnoty teplotního koeficientu kapacity a výbornou linearitu mezi kapacitou a napětím, což z nich dělá dokonalé kandidáty pro pasivní integraci zařízení na čipu. ZrO2 nanovrstvy připraveny anodizací přes masku PAA jsou, po prvý krát, schváleny k produkci osteogenních biokeramických povlaků. Tyto nanostrukturované biokeramické ZrO2 povlaky mohou modulovat interakce mezi buňkami a povrchem a zvyšovat mineralizaci osteoblastů 5 krát oproti rovné anodické ZrO2 vrstvě. Nanostrukturované HfO2 vrstvy připraveny anodizací přes masku PAA vykazují opakovatelné nízkovýkonové bipolární rezistivní spínání, což je dělá význačnými jako tuhé elektrolyty pro aplikace v memristorech. Anodizace Hf přes masku PAA v kombinaci s vhodnými chemickými modifikacemi povrchů je použita po prvý krát k vytvoření samouspořádaných nanostrukturovaných HfO2 povlaků, které jsou superhydrofóbní, odpuzují olej, jsou transparentní pro viditelné světlo a antireflexní, což je dělá velmi vhodnými pro pasivaci fotovoltaických zařízení.
|
|
|
Neural bioceramic scaffold prepared by freeze-casting
Vojníková, Michaela ; Pejchalová, Lucie (referee) ; Salamon, David (advisor)
Pre regeneráciu a rast poranených nervových vlákien bolo preskúmaných mnoho postupov, no výsledný rast axónov je často náhodný až dezorganizovaný a odráža sa na zložitejšom zotavovaní pacienta. V tejto práci boli vyrobené nové skafoldy s mikroštruktúrnymi a mechanickými vlastnosťami nervového skafoldu pomocou metódy freeze-casting. Konkrétne boli vyrobené biokeramické skafoldy na báze fosforečnanov vápenatých, oxidu titaničitého alebo oxidu zirkoničitého. Pomocou kontrolovaného rastu ľadu v jednom smere bola pripravená orientovaná mikroštruktúra. Pozorovanie pomocou skenovacej elektrónovej mikroskopie potvrdilo lineárne orientované póry (lamelárny systém), v ktorých priemerná veľkosť pórov klesala so zvyšujúcou sa rýchlosťou mrazenia. Skafoldy pripravené pomocou mrazenia v tekutom dusíku vykazovali vynikajúce mechanické vlastnosti, kde pevnosť v ohybe bola získaná v rozmedzí 10–17 MPa. Tie isté skafoldy mali vzdialenosť medzilamelamelárnych priestorov 10–30 µm, ktorých parametre sú vhodné pre nervové skafoldy. Biokompatibilita bola vyhodnotená pomocou Schwannových buniek in vitro, kde bola pozorovaná adhézia a rast v lamelárnom smere. Cytotoxické testy odhalili negatívny vplyv vyššej koncentrácie vápnika na prežitie Schwannových buniek. Pripravené skafoldy mali schopnosť tvorby apatitu na povrchu v podobe embryonálnych a nukleačných centier a apatitu samotného. Skafoldy na báze fosforečnanov vápenatých a oxidu titaničitého vykazovali sľubné regeneračné vlastnosti, konkrétne adhéziu a rast prostredníctvom pórovitej štruktúry a taktiež vynikajúce mechanické vlastnosti.
|
|
|
Study of bioceramic composite based on hydroxyapatite and bioglass
Virágová, Eliška ; Hadraba, Hynek (referee) ; Drdlík, Daniel (advisor)
This bachelor thesis is focused on the bioceramic composite materials based on hydroxyapatite (HAp) and bioglass (BG). The wet shaping method, i.e. electrophoretic deposition (EPD), was chosen for the preparation of these materials. The methodology of preparation and its influence on kinetics, relative density and pore distribution in the prepared composites was evaluated. The sintering process of the prepared composites was studied using high temperature dilatometry with subsequent evaluation of their microstructural and mechanical features. It was found that EPD is an applicable method for successful preparation of the particle composites. The microstructural quality of particle composites was affected mainly by the electrical conductivity of the suspension. It was found during the study of EPD kinetics that the highest deposition rate was achieved in the suspension with the lowest electrical conductivity. Increasing amount of BG in HAp caused increase of the relative density and pore diameter whereas the volume of pores decreased. High temperature dilatometry showed a decrease of relative shrinkage, which was evident with increasing HAp amount in the structure. Observation of the microstructure revealed a crystalline structure of BG and an open porosity of HAp, which is desired for biocompatible materials. The phase composition of the materials was determined by X-ray diffraction analysis. In case of the mechanical properties it was found an increase of the hardness and Young’s modulus of elasticity with the increasing amount of BG in bioceramic composites. Based on the obtained results the suitable process and material composition for the planned preparation of the functionally graded material were identified.
|
|
|
Tailoring of phase composition and microstructure of calcium phosphate scaffolds applied in regenerative medicine.
Pejchalová, Lucie ; Novotná, Lenka (referee) ; Salamon, David (advisor)
Vápenaté fosforečnany jsou nejčastěji využívané keramické materiály v medicíně pro regeneraci kostní tkáně. Vápenaté fosforečnany jsou biokompatibilní, bioaktivní a mezi sebou se odlišují především rozpustností a související degradací v organismu, proto jsou nejčastěji využívány k regeneraci malých defektů nebo jako vrstvy na kovových implantátech. U již zmíněné rozpustnosti materiálu po implantaci, hraje důležitou roli poměr zastoupení jednotlivých vápenatých fosforečnanů, od kterého se pak odvíjí rychlost degradace materiálu v organismu. Tato práce se zabývá vlivem tvarovacích metod na mikrostrukturu a zejména fázové složení vápenatých fosforečnanů. Výchozím materiálem pro pozorování změn ve fázovém složení byl komerční hydroxyapatit, který byl upraven kalcinací při 800 °C po dobu jedné hodiny. Při kalcinaci došlo k vytvoření dvoufázové směsi, obsahující hydroxyapatit a -fosforečnan vápenatý. Tato dvoufázová směs byla poté využita pro přípravu suspenze s plněním 15 obj.%, a také k přímé přípravě polotovarů s různou výslednou mikrostrukturou a fázovým složením. S cílem zjistit vliv procesu byly v této práci porovnány vzorky připravené pomocí metod: freeze-casting, izostatické lisování za studena, uniaxiální lisování a suspenzní odlévání. U polotovarů a slinutých vzorků byla provedena charakterizace mikrostruktury a analýza fázového složení. V práci se potvrdil vliv tvarovací metody na oba stanovené parametry – mikrostrukturu a fázové složení. Nově pak bylo zjištěno, že se zvyšující se hodnotou porozity a velikostí pórů se zvyšuje i zastoupení hydroxyapatitu ve vzorcích. Tento trend byl pozorován u vzorků vykazujících unimodální i bimodální zastoupení velikosti pórů.
|
|
|
Fabrication of dental glass-ceramics
Hasalíková, Tereza ; Dlabajová, Lucie (referee) ; Bartoníčková, Eva (advisor)
This bachelor´s thesis deals with the study of glass-ceramic materials and their use in dentistry. Nowadays, studies are placed on health harmless of the material, the biological ability to adapt to the host tissue, mechanical properties, affordability, easy and fast production, aesthetics and quick recovery of the patient. The theoretical part of the work deals with various materials from various input materials used for dental substitutes. Special attention is paid to glass-ceramic and ceramic biomaterials, their preparation, heat treatment and health testing. The experimental part deals with the preparation of powder materials by the sol-gel method. Of the larger number of samples, those were selected for gelation and showed good XRD and heat microscopy results. The selected samples were subsequently subjected to heat treatment to form a glass ceramic material. The products were characterized by XRD phase composition in terms of phase temperature behavior by TG-DTA analysis, heat microscopy and SEM morphology analysis of prepared particle.
|
|
|
Silicon substituted calcium phosphate based bioceramic scaffolds
Karkuszová, Karina ; Šťastná, Eva (referee) ; Novotná, Lenka (advisor)
The theoretical part of this bachelor thesis summarizes the current state of knowledge of bioceramic materials based on calcium, phosphorus and silicon. More specifically, it focuses on calcium phosphates, the demands placed on them, the porosity of 3D foams, and biological properties such as biodegradation and bioactivity. 3D bioceramic calcium phosphate foam doped with silicon appears to be a suitable material for use in biomedical applications. It is the silicon that plays a role in the development of healthy bone and the formation of new tissue. Silicon substitutions are important in the field of investigation because they improve the bioassay of phosphate calcium. In the experimental part, calcium phosphate powders were first prepared by the hydroxyapatite and silica fusion reaction. Selected powder contents were 0; 0.1; 1, 2.5, 5, 10 and 20 wt.% SiO2. The samples were sintered at 1100 °C, 1200 °C and 1300 °C. The second part consisted in the preparation of 3D foams by direct penetration with polyurethane and the subsequent characteristics of phase composition, solubility and bioactivity. Bioceramic foams had a highly porous structure. For 42 days, sample behavior in Tris-HCl and simulated body fluid (SBF) was monitored. The results of the experiment have shown that the samples are bioactive and silicon substitution increases phosphate calcium solubility. Therefore, these materials are potentially useful for biomedical applications
|
|
|
Shaping of bioceramic hydroxyapatite scaffolds on micro level
Pejchalová, Lucie ; Novotná, Lenka (referee) ; Salamon, David (advisor)
Due to increasing average age of population around the world, there are more patients who need surgery of musculoskeletal system. In some cases, it is even necessary to implant new bone scaffold or replace joints. Hydroxyapatite is the most frequently used material for its biocompatibility and bioactivity. On the other hand, mechanical properties constraints its use in porous scaffolds. The method providing both good mechanical stability and high porosity is freeze – casting. This method utilises controlled freezing to form lamellar structure. During freezing of slurry, ice crystals grow in direction of temperature gradient. In next step, ice crystals are removed by lyophilisation and lamellar structure is revealed. This structure is relatively unstable and needs to be reinforced by sintering. There are many aspects affecting resulting structure – freezing schedule, slurry concentration etc. We used water/ceramic slurries in various concentrations of hydroxyapatite (7,5 % vol., 10 % vol., 15 % vol. and 20 % vol.). These slurries were used for preparation of porous bone scaffolds. We tried to add 3D mash to form net of channels and we observed favourable changes in porosity. 3D mash was removed during sintering. Resulting bioceramics structure was highly porous (up to 90 %). These scaffolds had an acceptable ration between porosity and mechanical stability, too. We considered, adding of 3D mash, as good way to form channels of desired properties.
|
|
|
Shaping of bioceramics by dip-coating
Gockert, Radek ; Částková, Klára (referee) ; Salamon, David (advisor)
The presented bachelor thesis describes basic shaping methods of bioceramic materials, especially a description of the dip-coating method. Subsequently, the experimental part of the thesis presents the usage of this method for the preparation of ceramic micro units sintered from hydroxyapatite, and containing micro channel suitable for transporting media in living tissue. Tailoring of the process leads to the formation of variable droplets and films, subsequent sintering process used temperature control and calcination of the starting powder to achieve microstructure with controlled porosity and grain size. Micro units with diameter from 50 µm to 1 mm with variable porosity and micro channels were prepared from hydroxyapatite.
|
guest ::
