Tenké vrstvy, které přichází do kontaktu s buněčným materiálem, musí splňovat mnoho požadavků a zejména nesmí ohrožovat živý organismus. V průběhu řešení diplomové práce jsou hodnoceny různé typy tenkých vrstev se zastoupením prvků Ti, Zr, Cu a C za účelem vybrat vhodnou modifikaci povrchu s přijatelnými mechanickými a fyzikálně-chemickými vlastnostmi. Cílená modifikace povrchu tenkými vrstvy zajistí eliminaci vzniku zánětu nebo zamezí negativní reakci těla na cizí těleso (implantát). Zároveň je snaha najít vhodnou modifikaci povrchu s antibakteriálními vlastnostmi, který může být vhodný pro medicinské aplikace.
Zkoumané tenké vrstvy jsou nanášeny vakuovými metodami a následně jsou podrobeny hodnocení adheze, nanotvrdosti, třecích vlastností nebo například zvýšení/snížení proliferace buněk na jejich povrchu. Struktura a homogenita připravených vrstev je hodnocena pomocí rastrovací, konfokální mikroskopie či mikroskopie atomárních sil. Odolnost tenkých vrstev vůči otěru a charakterizace jejich kluzných vlastností je provedena na tribometru z firmy Anton Paar. Sledovanou bakteriální populací je kmen Escherichia Coli nebo Micrococcus Luteus. Cílem práce je nalézt tenkou vrstvu, která nebude vyvolávat nežádoucí odezvu organismu a bude odolávat mechanickým a fyzikálně-chemickým vlivům, a tudíž by mohla být vhodná i pro následné použití pro biomedicinské aplikace.
Anotace v angličtině
Thin layers, which come in contact with cellular material, have to fulfill many requirements and especially must not endanger live organisms. Different thin layers with the representation of Ti, Zr, Cu and C, are evaluated to find suitable surface modification with suitable mechanical and physical-chemical traits. Targeted modification of the surface with thin layers ensures elimination of inflammation formation or eliminating negative body reactions to foreign objects (implant). Simultaneously there is an effort to find an appropriate surface modification with antibacterial features which can be suitable for medical devices.
Researched thin layers are applied by vacuum methods and then subjected to evaluation of adhesion, nanohardness, friction features or for example high/low cell proliferation on their surface. The structure and homogeneity of prepared layers are evaluated by scanning, confocal microscopy or atomic force microscopy. The durability of thin layers to abrasion and characterization of their sliding features are done with an Anton Paar tribometer. The tracked bacterial populations are Escherichia Coli or Micrococcus Luteus. The thesis's target is finding an appropriate layer, which can not cause any unwanted organism feedback, resist mechanical and physical-chemical influences, and therefore could be suitable even for subsequent usage in biomedical applications.
Klíčová slova
tenké vrstvy, mechanické a tribologické vlastnosti, opotřebení, biokompatibilita
Klíčová slova v angličtině
thin layers, mechanical and tribological properties, wear and tear, biocompatibility
Rozsah průvodní práce
78
Jazyk
CZ
Anotace
Tenké vrstvy, které přichází do kontaktu s buněčným materiálem, musí splňovat mnoho požadavků a zejména nesmí ohrožovat živý organismus. V průběhu řešení diplomové práce jsou hodnoceny různé typy tenkých vrstev se zastoupením prvků Ti, Zr, Cu a C za účelem vybrat vhodnou modifikaci povrchu s přijatelnými mechanickými a fyzikálně-chemickými vlastnostmi. Cílená modifikace povrchu tenkými vrstvy zajistí eliminaci vzniku zánětu nebo zamezí negativní reakci těla na cizí těleso (implantát). Zároveň je snaha najít vhodnou modifikaci povrchu s antibakteriálními vlastnostmi, který může být vhodný pro medicinské aplikace.
Zkoumané tenké vrstvy jsou nanášeny vakuovými metodami a následně jsou podrobeny hodnocení adheze, nanotvrdosti, třecích vlastností nebo například zvýšení/snížení proliferace buněk na jejich povrchu. Struktura a homogenita připravených vrstev je hodnocena pomocí rastrovací, konfokální mikroskopie či mikroskopie atomárních sil. Odolnost tenkých vrstev vůči otěru a charakterizace jejich kluzných vlastností je provedena na tribometru z firmy Anton Paar. Sledovanou bakteriální populací je kmen Escherichia Coli nebo Micrococcus Luteus. Cílem práce je nalézt tenkou vrstvu, která nebude vyvolávat nežádoucí odezvu organismu a bude odolávat mechanickým a fyzikálně-chemickým vlivům, a tudíž by mohla být vhodná i pro následné použití pro biomedicinské aplikace.
Anotace v angličtině
Thin layers, which come in contact with cellular material, have to fulfill many requirements and especially must not endanger live organisms. Different thin layers with the representation of Ti, Zr, Cu and C, are evaluated to find suitable surface modification with suitable mechanical and physical-chemical traits. Targeted modification of the surface with thin layers ensures elimination of inflammation formation or eliminating negative body reactions to foreign objects (implant). Simultaneously there is an effort to find an appropriate surface modification with antibacterial features which can be suitable for medical devices.
Researched thin layers are applied by vacuum methods and then subjected to evaluation of adhesion, nanohardness, friction features or for example high/low cell proliferation on their surface. The structure and homogeneity of prepared layers are evaluated by scanning, confocal microscopy or atomic force microscopy. The durability of thin layers to abrasion and characterization of their sliding features are done with an Anton Paar tribometer. The tracked bacterial populations are Escherichia Coli or Micrococcus Luteus. The thesis's target is finding an appropriate layer, which can not cause any unwanted organism feedback, resist mechanical and physical-chemical influences, and therefore could be suitable even for subsequent usage in biomedical applications.
Klíčová slova
tenké vrstvy, mechanické a tribologické vlastnosti, opotřebení, biokompatibilita
Klíčová slova v angličtině
thin layers, mechanical and tribological properties, wear and tear, biocompatibility
Zásady pro vypracování
Cíle práce:
Cílem práce bude posouzení vhodnosti a oblasti využití tenkých vrstev se zastoupením prvků C, Ti, Zr, a Cu.
Cílem práce bude zhodnotit fyzikálně-mechanické vlastnosti nanesených tenkých vrstev, porovnat je s vlastnostmi základního materiálu a následně vybrat vhodný povrch po modifikaci pro konkrétní aplikaci. Tenké vrstvy budou hodnoceny na základě provedených experimentů v laboratořích a dosažených výsledků testů pro fyzikální a mechanické vlastnosti.
Výstupem kvalifikační práce bude navrhnout vhodnou modifikaci tenkým povlakem s požadovanými vlastnostmi povrchu pro konkrétní aplikaci (např.: s lepší odolnosti proti otěru, s dobrými kluznými vlastnostmi anebo kombinaci zkoumaných vlastností). Dalším výstupem může být vytvoření článku do odborného periodika.
Výzkumné předpoklady:
1. Předpokládáme, že různé typy tenkých vrstev budou mít odlišné mechanické a fyzikálně-chemické vlastnosti (např.: adheze, nanotvrdost, třecí kluzné vlastnosti, odolnost proti otěru, morfologie, drsnost povrchu, smáčivost atd.).
2. Předpokládáme, že vytipujeme vhodné vrstvy, které zajistí požadované vlastnosti povrchu pro konkrétní aplikaci (např.: snížení bakteriální adhese k povrchu, zvýšení odolnosti povrchu v daném prostředí, zlepšení kluzné vlastnosti povrchu aj.).
3. Předpokládáme, že některé ze zkoumaných vrstev budou tvořit účinnější bariéru mezi podkladovým materiálem a lidským tělem, tj. budou bránit iontům těžkých kovů (Ni, Cr, Co) v kontaktu s pacientem, což prokážou experimenty vyluhovatelností a pak následně vytipujeme vhodné tenké vrstvy pro danou aplikaci.
Metoda:
Výzkumná.
Technika práce, vyhodnocení dat:
Technika práce: zkoumání povrchů pomocí přístrojů.
Vyhodnocení dat: data budou zpracována pomocí tabulek a grafů.
Místo a čas realizace výzkumu:
Místo: Katedra materiálu.
Čas: září 2020 - březen 2021.
Vzorek:
Vzorkem je 5 různých typů tenkých vrstev (se zastoupením prvků C, Ti, Zr, Cu) nanesených na austenitickou ocel a podkladový materiál (substrát).
Rozsah práce:
70-90 stran (tzn. 1/3 teoretická část, 2/3 výzkumná část).
Zásady pro vypracování
Cíle práce:
Cílem práce bude posouzení vhodnosti a oblasti využití tenkých vrstev se zastoupením prvků C, Ti, Zr, a Cu.
Cílem práce bude zhodnotit fyzikálně-mechanické vlastnosti nanesených tenkých vrstev, porovnat je s vlastnostmi základního materiálu a následně vybrat vhodný povrch po modifikaci pro konkrétní aplikaci. Tenké vrstvy budou hodnoceny na základě provedených experimentů v laboratořích a dosažených výsledků testů pro fyzikální a mechanické vlastnosti.
Výstupem kvalifikační práce bude navrhnout vhodnou modifikaci tenkým povlakem s požadovanými vlastnostmi povrchu pro konkrétní aplikaci (např.: s lepší odolnosti proti otěru, s dobrými kluznými vlastnostmi anebo kombinaci zkoumaných vlastností). Dalším výstupem může být vytvoření článku do odborného periodika.
Výzkumné předpoklady:
1. Předpokládáme, že různé typy tenkých vrstev budou mít odlišné mechanické a fyzikálně-chemické vlastnosti (např.: adheze, nanotvrdost, třecí kluzné vlastnosti, odolnost proti otěru, morfologie, drsnost povrchu, smáčivost atd.).
2. Předpokládáme, že vytipujeme vhodné vrstvy, které zajistí požadované vlastnosti povrchu pro konkrétní aplikaci (např.: snížení bakteriální adhese k povrchu, zvýšení odolnosti povrchu v daném prostředí, zlepšení kluzné vlastnosti povrchu aj.).
3. Předpokládáme, že některé ze zkoumaných vrstev budou tvořit účinnější bariéru mezi podkladovým materiálem a lidským tělem, tj. budou bránit iontům těžkých kovů (Ni, Cr, Co) v kontaktu s pacientem, což prokážou experimenty vyluhovatelností a pak následně vytipujeme vhodné tenké vrstvy pro danou aplikaci.
Metoda:
Výzkumná.
Technika práce, vyhodnocení dat:
Technika práce: zkoumání povrchů pomocí přístrojů.
Vyhodnocení dat: data budou zpracována pomocí tabulek a grafů.
Místo a čas realizace výzkumu:
Místo: Katedra materiálu.
Čas: září 2020 - březen 2021.
Vzorek:
Vzorkem je 5 různých typů tenkých vrstev (se zastoupením prvků C, Ti, Zr, Cu) nanesených na austenitickou ocel a podkladový materiál (substrát).
Rozsah práce:
70-90 stran (tzn. 1/3 teoretická část, 2/3 výzkumná část).
Seznam doporučené literatury
[1] NAVRÁTIL, Leoš a Jozef ROSINA. Medicínská biofyzika. 2., zcela přepracované a doplněné vydání. Praha: Grada Publishing, 2019. ISBN 978-80-271-0209-9.
[2] SEDLÁČEK, Vladimír. Povrchy a povlaky kovů. Praha: České vysoké učení technické, 1992. ISBN 80-01-00799-5.
[3] BAKALOVA, Totka, et al. Biocompatibility of Surfaces of TiCN Thin Films. In: Defect and Diffusion Forum. Trans Tech Publications Ltd, 2016. s. 64-68. ISBN 978-303835720-9.
[4] LEDRAPPIER, F., HOUZE, L.; HEAU, C.; GERSTENBERGER, J. Tenké povlaky pro snížení ztrát třením: Tribologie povlaků typu DLC, Metal 2008, Hradec nad Moravicí.
[5] BAKALOVA, Totka, et al. Study of surface morphology, structure, mechanical and tribological properties of an AlSiN coating obtained by the Cathodic Arc Deposition method. In: Superlattices and Microstructures, 2017, 09, s. 402-413. DOI 10.1016/j.spmi.2017.05.022.
[6] GAO, X, M. FRAULOB a G. HAIAT. Biomechanical behaviours of the bone-implant interface: a review. Journal of The Royal Society Interface [online]. 2019, 16(156). DOI 10.1098/rsif.2019.0259. Dostupné také z: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6685012/
[7] KŘEPELKA, Jaromír. Přehled použití tenkých vrstev. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, Přírodovědecká fakulta. Olomouc, 2014.
[8] ZHANG, Mengqi et al. Mechanical Properties and Biocompatibility of Ti-doped Diamond-like Carbon Films. ACS Omega [online]. 2020, 5(36), 2470-1343. DOI 10.1021/acsomega.0c01715. Dostupné také z: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7495474/
[9] BAKALOVA, Totka, et al. Influence of Bias Voltage and CH4/N2 Gas Ratio on the Structure and Mechanical Properties of TiCN Coatings Deposited by Cathodic Arc Deposition Method. Journal of Materials Engineering and Performance. 1. vyd. New York: Springer New York LLC, 2019, roč. 28, č. 1. S. 343 - 354. ISSN 1059-9495.
[10] KAVÁNOVÁ, Anna, et al. Evaluation of Changes In The Utility Properties of A Base Material After The Application of Thin Coatings Of Wc/C, Tic/C and A Carbon-Based Coating: Ta-C. Nanocon 2019 - Proceedings 11th International Conference on Nanomaterials - Research & Application. Ostrava: Tanger, Ltd., 2020. S. 244 - 250. ISBN 978-80-87294-95-6, ISSN 2694-930X.
[11] VAITHILINGAM, Vijay et al. Biomineralization of osteoblasts on DLC coated surfaces for bone implants. Biointerphases [online]. 2018, 13(4). DOI 10.1116/1.5007805.
Seznam doporučené literatury
[1] NAVRÁTIL, Leoš a Jozef ROSINA. Medicínská biofyzika. 2., zcela přepracované a doplněné vydání. Praha: Grada Publishing, 2019. ISBN 978-80-271-0209-9.
[2] SEDLÁČEK, Vladimír. Povrchy a povlaky kovů. Praha: České vysoké učení technické, 1992. ISBN 80-01-00799-5.
[3] BAKALOVA, Totka, et al. Biocompatibility of Surfaces of TiCN Thin Films. In: Defect and Diffusion Forum. Trans Tech Publications Ltd, 2016. s. 64-68. ISBN 978-303835720-9.
[4] LEDRAPPIER, F., HOUZE, L.; HEAU, C.; GERSTENBERGER, J. Tenké povlaky pro snížení ztrát třením: Tribologie povlaků typu DLC, Metal 2008, Hradec nad Moravicí.
[5] BAKALOVA, Totka, et al. Study of surface morphology, structure, mechanical and tribological properties of an AlSiN coating obtained by the Cathodic Arc Deposition method. In: Superlattices and Microstructures, 2017, 09, s. 402-413. DOI 10.1016/j.spmi.2017.05.022.
[6] GAO, X, M. FRAULOB a G. HAIAT. Biomechanical behaviours of the bone-implant interface: a review. Journal of The Royal Society Interface [online]. 2019, 16(156). DOI 10.1098/rsif.2019.0259. Dostupné také z: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC6685012/
[7] KŘEPELKA, Jaromír. Přehled použití tenkých vrstev. Olomouc: Univerzita Palackého v Olomouci, Přírodovědecká fakulta. Olomouc, 2014.
[8] ZHANG, Mengqi et al. Mechanical Properties and Biocompatibility of Ti-doped Diamond-like Carbon Films. ACS Omega [online]. 2020, 5(36), 2470-1343. DOI 10.1021/acsomega.0c01715. Dostupné také z: https://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC7495474/
[9] BAKALOVA, Totka, et al. Influence of Bias Voltage and CH4/N2 Gas Ratio on the Structure and Mechanical Properties of TiCN Coatings Deposited by Cathodic Arc Deposition Method. Journal of Materials Engineering and Performance. 1. vyd. New York: Springer New York LLC, 2019, roč. 28, č. 1. S. 343 - 354. ISSN 1059-9495.
[10] KAVÁNOVÁ, Anna, et al. Evaluation of Changes In The Utility Properties of A Base Material After The Application of Thin Coatings Of Wc/C, Tic/C and A Carbon-Based Coating: Ta-C. Nanocon 2019 - Proceedings 11th International Conference on Nanomaterials - Research & Application. Ostrava: Tanger, Ltd., 2020. S. 244 - 250. ISBN 978-80-87294-95-6, ISSN 2694-930X.
[11] VAITHILINGAM, Vijay et al. Biomineralization of osteoblasts on DLC coated surfaces for bone implants. Biointerphases [online]. 2018, 13(4). DOI 10.1116/1.5007805.
Přílohy volně vložené
1x CD
Přílohy vázané v práci
ilustrace, tabulky
Převzato z knihovny
Ano
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Průběh obhajoby je zveřejněn pouze přihlášenému uživateli.