Oddělení kompozitních a uhlíkových materiálů

Video file

Výzkumná činnost Oddělení kompozitních a uhlíkových materiálů je zaměřena na teoretické studium a aplikace moderních vláknových, nano-částicových a hybridních kompozitních materiálů s organickým původem a na bázi syntetických nebo anorganických materiálů. Zvláštní pozornost je věnována izolaci a charakterizaci kolagenu a kalcium fosfátů a jejich zpracování do různých forem s definovanou mikro nebo nanostrukturou. Tyto činnosti zahrnují dva hlavní směry, a to kompozitní materiály pro použití v medicíně na bázi biokompatibilních a biodegradabilních komponent a technické, tepelně odolné kompozity zejména s keramickou matricí.

Kompozitní materiály pro tkáňové inženýrství a medicínu
Oddělení kompozitních a uhlíkových materiálů se zabývá výzkumem náhrad měkkých a tvrdých tkání, vyvíjí materiály, napodobující jejich mechanické a strukturní vlastnosti a materiálové složení. V případě náhrad tvrdých tkání se výzkum zaměřuje na hlavní složky kosti, tedy kolagen a kalcium fosfáty, které jsou zpracovávány v nanoměřítku, ve kterém se v kosti přirozeně nachází.

1. Izolace, zpracování a charakterizace kolagenu
Kolagen, jedinečný přírodní polymer s komplexní hierarchickou strukturou a mimořádnými vlastnostmi, je potenciálně využitelný pro konstrukci materiálů pro regeneraci různých typů tkání. Aplikace jeho laboratorně připravené formy je však z různých důvodů omezena. Tato omezení vznikají vinou komplexních procesů přípravy, které je nutné použít jak pro jeho izolaci z nativních tkání, tak pro následné zpracování do požadovaných materiálových aplikací. Při zpracování kolagenu do mikro- nebo nano-strukturovaných forem je proto velmi důležité zachovat rovnováhu mezi úspěšným zpracováním a zachováním jeho jedinečných vlastností bez výrazné denaturace.

2. Kalcium fosfátové nanočástice pro léčbu kostních defektů
Kalcium fosfáty se tradičně používají pro léčbu kostních defektů díky jejich významné podobnosti s anorganickou složkou kostní hmoty. Různé druhy kalcium fosfátových materiálů nachází uplatnění v klinické praxi díky jejich výborné biokompatibilitě, osteokonduktivitě a osteoinduktivitě. Výzkumem těchto materiálů se zabýváme dlouhodobě, zejména pak izolací a charakterizací bioapatitu z biogenních zdrojů. Ty jsou dále aplikovány také jako výplně kompozitů s různými typy syntetických nebo organických matric. Bioapatit vykazuje zvýšenou schopnost resorpce v organizmu a významně vyšší míru bioaktivity než syntetické kalcium fosfáty.

3. Kolagen-kalcium fosfátové nanovrstvy s řízeným uvolňováním antibiotik
Povrchové vrstvy implantátů tvořené kolagenovými nanovlákny, kalcium fosfátovými nanočásticemi a antibiotiky mají silný lokální antimikrobiální účinek bez vedlejších cytotoxických účinků a současně zvyšují míru oseointegrace, která je potřebná pro vhodnou fixaci implantátu. Implantáty s těmito vrstvami mohou být použity v případě známé infekce nebo jako prevence při primo implantacích, při kterých je riziko vzniku infekce zvýšené.

4. Kolagenové kompozitní nosiče pro kostní chirurgii
Optimální kostní náhrada by měla nejenom napodobit složení a strukturu kosti, ale měla by současně umožnit přirozený průběh hojení tím, že poskytne kostním buňkám dočasnou nosnou strukturu do doby, něž se kostní tkáň přirozeně regeneruje a remodeluje. Využití kolagenu, jako přirozené součásti kosti, je pro tyto aplikace velmi výhodné. Použití jeho laboratorní formy je ale problematické z důvodu nedostatečných mechanických vlastností, nízké stability ve vodném prostředí a malé odolnosti vůči činnosti některých enzymů. Při výzkumu kolagenových nosičů se zabýváme především možnostmi optimalizace mechanických a strukturních vlastností pomocí chemického síťování a přípravou kompozitních nosičů, ve kterých je kolagenová matrice vyztužena různými typy polymerních vláken nebo kalcium fosfátových částic.

5. Kolagenové porézní pěny pro hojení ran
Kolagenové pěny obsahující antibiotika představují slibný nástroj pro lokální léčbu a prevenci infekcí spojených s chirurgickými zákroky. Výhody kolagenu izolovaného z kůže sladkovodních ryb, v našem případě Třeboňského kapra, spočívají v nižší antigenicitě oproti kolagenu izolovanému z kůže savců, nízkému riziku přenosu zoonóz, výborné biokompatibilitě a podpoře přímé buněčné adheze a diferenciace. Pěny jsou připravovány v kombinaci s různými druhy antibiotik a také s různou konstrukcí jako vysoce porézní pěny, sendvičové pěny s proměnou porozitou nebo jako kompozitní pěny v kombinaci s kolagenovými nanovlákny.

Výzkum prekeramických polymerů a jejich využití při vývoji keramických pěn, kompozitů s keramickou matricí a plně keramických sendvičů
Oddělení kompozitních a uhlíkových materiálů se také specializuje na vývoj unikátních kompozitů pro použití ve vysokých teplotách. Tyto kompozity jsou připravovány laminačními technikami z různých druhů vláken, např. bazaltových, skelných nebo keramických. Kompozity jsou vystavovány vysokým teplotám, které zásadně zlepší jejich vlastnosti. Významného pokroku jsme dosáhli s tzv. částečně pyrolyzovanými kompozity vyztuženými bazaltovými vlákny, které mají dobré mechanické vlastnosti a na rozdíl od jiných typů kompozitů vykazují vysokou míru požární odolnosti.

1. Pokročilé keramické pěny z pyrolyzovaných polymerních prekurzorů
Výzkum pyrolýzní transformace polysiloxanových termosetů do Si-O-C keramiky je zaměřen na jednoduché základní polymethylsiloxanové a polymethylfenylsiloxanové pryskyřice. Vliv procesu pyrolýzy na změny v chemické struktuře materiálu a na indukované změny v mechanických vlastnostech je studován v různých úrovních této přeměny v rozmezí teplot od 250 do 1000 °C. Dlouhodobé zkušenosti s pyrolýzním procesem a nově získané znalosti v oblasti pyrolýzy polysiloxanů jsou využívány pro vývoj pokročilých keramických pěn. Pro zesítění polymerních prekurzorů jsou testovány rozličné metody, jmenovitě expanze jednoduchých nízkomolekulárních uhlovodíkových sloučenin, využití epoxidových částic jako porogenu nebo přidání škrobu do prekurzoru termosetu před jeho vytvrzením.

2. Keramické sendviče
Zkušenosti s přípravou kompozitů s keramickou matricí a znalosti získané v oblasti přípravy keramických pěn jsou využívány při vývoji sendvičového materiálu, jehož všechny komponenty jsou tvořeny keramikou. Pro vnější nosné vrstvy tohoto sendviče je používán kompozit vyztužený keramickými vlákny s nanokrystalickou strukturou mullit – korund, matrice je tvořena Si-O-C keramikou. Vnější nosné vrstvy jsou připravované odděleně, umístěním vláken do polysiloxanového termosetu a jeho následnou pyrolýzou na 1000 °C. Jádro sendviče tvoří keramická Si-O-C pěna, která je připravena napěněním prekurzoru polysiloxanu přidáním škrobu a následně pyrolyzována na teplotu 1000 °C. Vnější nosné vrstvy jsou k pěnovému jádru přilepeny anorganickým silikátovým lepidlem, přičemž sendvič je následně žíhán při teplotě 1000 °C, při které dochází k vytvrzení lepidla.

Mezinárodní spolupráce

Division of Cariology and Endodontology, School of Dentistry, University of Geneva, Geneva, Switzerland
Švýcarsko
National Tsing Hua University, Hsinchu, Taiwan
Tchaj-wan
National University of Singapore, Singapore
Singapur
Indian Institute of Technology Madras, Medical Materials Laboratory, Chennai, India
India
AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland
Polsko
University of Vienna, Institute of Materials
Physics, Vienna, Austria
Rakousko
Institute of Macromolecular Compounds, Russian Academy of Science, St. Petersburg
Rusko

Development of tissue engineering materials on the basis of polymer matrices and mesenchymal stem cells, osteoblasts and fibroblasts, (2012-2014), Dr. V.E. Yudin, biomaterials which consist of chitosan and other biocompatible matrices

Dipartimento di Elettronica, Informazione e Bioingegneria, Politecnico di Milano, Milano, Italy
Itálie
Institute of Engineering Materials and Design, Faculty of Mechanical Engineering, University of Maribor, Maribor, Slovenija
Slovinsko

Výsledky

Bohužel, nebyly nalezeny žádné výsledky.

Projekty

Momentálně nejsou dostupné žádné řešené projekty.

Níže je dostupný seznam již ukončených projektů.

Ukončené projekty

Služby

Příprava materiálů

Příprava polymerních nanovláken a submikronových vláken metodou elektrostatického zvlákňování Electrospunra 210  Tomáš Suchý 
Zpracování materiálů pomocí vakuového vymrazování Lyofilizátor BenchTop 4K ZL VirTis Martina Křížková 
Kontinuální míchání, hnětení a příprava poylmerních a viskózních materiálů Polydrive mixer HAAKE R600  Zbyněk Sucharda 
Laboratorní příprava kompozitních vzorků vytvrzovaných do teploty 400°C Hydraulický vyhřívaný lis HLV 5.
Pyrolýza, sintrování, křemíkování a grafitace kompozitních materiálů Grafitační pec GERO HTK 8 GR/22-1Gman  

Spektroskopická analýza materiálů

Spektroskopická analýza pevných, kapalných a gelovitých látek Infračervený spektrometr Nicolet Protégé 460 E.S.P. Monika Šupová

Analýza topografie materiálů

Spektroskopická analýza pevných, kaplných a gelovitých látek Bezkontaktní měření povrchu MarSurf TS 50/4 Tomáš Suchý

SEM analýzy a EDS prvková analýza materiálů

SEM analýzy a EDS prvková analýza materiálů Skenovací elektronový mikroskop Quanta 450 Jana Schweigstillová

Obrazové analýzy nábrusů

Mechanické zkoušky materiálů při vysokých teplotách

Mechanické zkoušky materiálů při vysokých teplotách Inspekt 100 Martin Černý

Laboratoř zpracování přírodních polymerů

l

Laboratoř se věnuje zpracování přírodních ale i syntetických polymerů, zejména pak kolagenu, jeho izolací z různých druhů tkání, zpracováním do mikro a nanostrukturovaných forem a komplexní charakterizací na všech úrovních jeho struktury. Činnosti laboratoře jsou dlouhodobě zaměřeny na hodnocení procesů zpracování kolagenu a vlivu těchto procesů na jeho výsledné vlastnosti. Pro charakterizaci je využíváno široké spektrum analytických metod. Speciálním zaměřením laboratoře je elektrostatické zvlákňování přírodních polymerů.

doc. Ing. Tomáš Suchý, Ph.D.
Ing. Monika Šupová, Ph.D.
Ing. Šárka Rýglová, Ph.D.
Ing. Martin Braun, Ph.D.
Ing. Miloň Hříbal
Ing. František Denk
Ing. Ján Kužma
Martina Křížková
Zbyněk Sucharda

Laboratoř mikroskopické analýzy

lab1

Laboratoř za použití skenovacího elektronového mikroskopu (STEM) s vysokým rozlišením studuje širokou škálu materiálů zejména z hlediska mikrostruktury, a s použitím detektoru pro energiově disperzní spektrometrii (EDS) i z hlediska složení materiálu. Využívá snímání sekundárních i zpětně odražených elektronů, RTG záření pro prvkovou analýzu a transmisi pro velmi tenké řezy v režimech vysokého a nízkého vakua. Pro mikromechanické zkoušky je mikroskop vybaven mikrotrhačkou s kontinuálním záznamem působících sil i obrazovým záznamem deformovaného materiálu. Laboratoř přípravy vzorků se zaměřuje na zpracování biologických materiálů a jejich přípravu pro SEM.

Ing. Margit Žaloudková, Ph.D.
Ing. Ján Kužma

Laboratoř vysokoteplotních kompozitů

Composite

Laboratoř se zabývá vývojem vláknových kompozitů pro použití při zvýšených teplotách, vývojem požárně odolných kompozitů a též sledováním vlivu klimatických podmínek na strukturu zkoumaných materiálů. Jako výztuž jsou používána uhlíková, keramická, silikátová nebo čedičová vlákna. Jako matrice zkoumaných kompozitů jsou testovány organické i anorganické polymerní termosety s pevným pyrolýzním zbytkem, kdy různým stupněm teplotního zpracování je dosahováno jejich hybridní či keramické struktury. 

Technologická část laboratoře je vybavena navíječkou jednosměrných prepregů, lisem do 400 °C a pyrolýzními pecemi do 1340 °C. Pro testování vývojových materiálů je laboratoř vybavena zařízením pro statické testy při teplotách do 1600 °C, dilatometrickou a termomechanickou analýzou do 1600 °C, zařízením pro měření elastické anizotropie rezonanční metodou do 1 MHz, zařízením pro zkoušky mrazuvzdornosti podle EN 539-2 a inspekčním mikroskopem. 

Ing. Martin Černý, Ph.D.
Ing. Pavel Nekoksa
Ing. Jaroslava Svítilová
Petr Kácha