Oddělení kompozitních a uhlíkových materiálů
Ústav struktury a mechaniky hornin AV ČR, v.v.i.

Nabízené služby Přístrojové vybavení Mezinárodní spolupráce Česká společnost pro kompozitní a uhlíkové materiály
Základní informace Zaměstnanci oddělení Vědecká činnost Projekty Aktuality oddělení
 
Propagační brožura
Biokompozitní náhrady kostní tkáně - brožura

Výzkumná činnost je zaměřena na studium moderních vláknových nebo částicových kompozitů: jak biokompatibilních kompozitů s polymerní matricí, tak tepelně odolných kompozitů s keramickou matricí získanou pyrolýzou polymerního prekurzoru. Věnuje se optimalizaci procesů přípravy, vztahům mezi strukturou a vlastnostmi studovaných materiálů a hledání možných aplikací. Dále je studován mechanismus a kinetika pyrolýzy polysiloxanů a vlastnosti SiOC skel na jejich bázi. Procesy přípravy zahrnují opakovanou impregnaci kompozitů pryskyřicí s cílem zvýšit jejich hustotu a snížit výskyt dutin, vysokoteplotní zpracování pro zlepšení mechanických vlastností a infiltraci pyrolytickým uhlíkem či křemíkem z plynné fáze pro zlepšení povrchových vlastností.

Jako vláknová výztuž kompozitů s keramickou matricí jsou používána uhlíková vlákna nebo tkaniny, keramická vlákna (SiC nebo Al2O3) nebo vlákna a tkaniny z E-skla, R-skla či taveného čediče. Pravidelné vrstevnaté uspořádání vláken smočených polymerní matricí vytváří strukturu budoucího kompozitu a určuje anizotropii jeho vlastností. Druh použitého polymeru předurčuje typ matrice vzniklé pyrolýzou (tj. tepelným rozkladem v inertní atmosféře): při použití fenolické pryskyřice vzniká kompozit s matricí uhlíkovou, zatímco z polysiloxanové pryskyřice vzniká tepelně odolná keramická matrice obsahující skupiny SiOC.

Pokročilé částicové, vláknové a hybridní kompozitní materiály pro použití v ortopedii v podobě náhrad kosti, spojovacích nebo výplňových elementů jsou navrhovány na bázi biokompatibilních matric (polysiloxan, kolagen, želatina) a různých druhů výztuže ve formě vláken (polyamid, kolagen, želatina) nebo částic (různé druhy hydroxyapatitu, fosforečnan vápenatý – mikro a nano částice). Schopnost kompozitů vytvářet pevné spojení s kostí je dále optimalizována pomocí speciálně vyvinutých technik, vytvářejících na povrchu kompozitů otevřené póry s velikostí a plošnou hustotou vhodnou pro vrůst kostních buněk.

Mikrostruktura připravených kompozitů je sledována optickou mikroskopií a kvantitativně hodnocena metodou obrazové analýzy. Fyzikální a chemické vlastnosti biokompozitů, ovlivňující vhodné strukturní a funkční spojení navrhovaných kompozitů s kostí, jsou hodnoceny podle jejich povrchových a strukturních charakteristik. Topografie jejich povrchu (standardní parametry drsnosti, velikost, tvar a plošná hustota pórů), je studována pomocí bezdotykového 3D měřícího zařízení. Bioaktivita je posuzována pomocí in vitro zkoušek loužení v simulované tělní tekutině. Biologické hodnocení kompozitů je prováděno pomocí in vitro a in vivo testů na kooperujícím pracovišti. Mechanické vlastnosti (modul pružnosti a mez pevnosti) jsou studovány pomocí univerzálního testovacího stroje do teploty 1400°C. Dynamické moduly v tahu a ve smyku jsou měřeny metodou rezonančních frekvencí při laboratorní teplotě. Poznatky slouží nejen k sladění mechanických vlastností kompozitů s vlastnostmi kosti v případě biomateriálů, ale též k hodnocení odolnosti (či degradace) kompozitů v nepříznivých podmínkách a k optimalizaci volby výchozích složek a procesů tepelné přípravy.

Je zkoumána možnost implantace mikro- a nano částic kovů do SiOC struktury a jsou studovány jejich vlastností. Velikost a tvar částic závisí na složení a typu prekurzoru. Struktura připravených materiálů je studována mj. pomocí IR a Ramanovy spektroskopie a termogravimetrie.