Tato diplomová práce se zabývá 3D tiskem biomateriálů na bázi želatiny, síťované pomocí Schiffových bází. Připravené materiálové sady se liší typem želatiny (hovězí a králičí), poměrem želatiny a oxidovaného dextranu (1 ku 1, 2 ku 1, 3 ku 1), počtem natisknutých vrstev (1, 3, 5) a typem aktivačního činidla (NH3, TEA). Cílem této práce bylo posouzení vlivu přípravy materiálu a tiskových podmínek na výslednou porozitu vzorků (počet, velikost, objem pórů) pomocí metody SEM a CT. Tiskový materiál na bázi želatiny představuje slibný materiál pro přípravu matrice pro implementaci kmenových buněk in vivo. Její velkou nevýhodou je rozpustnost ve vodě a slabá mechanická stabilita, znemožňující její použití v 3D tisku, jehož řešení spočívá v dodatečné síťování. Proces síťování však v mnoha případech může vést k nárůstu cytotoxicity. Tento problém lze vyřešit síťováním pomocí Schiffových bází. Výsledky této diplomové práce potvrdily, že celková porozita materiálů na bázi želatiny, se liší v závislosti na původu želatiny, počtu tiskových vrstev, použitém poměru želatiny k oxidovanému dextranu a typu aktivačního činidla. Připravený materiál, tak představuje velký potenciál v přípravě bioinku, především díky jeho biokompatibilitě, nízké toxicitě, i možnosti jeho použití při 3D tisku různých struktur.
Anotace v angličtině
This diploma thesis deals with 3D printing of biomaterials based on gelatin, crosslinked using Schiff bases. The prepared material differs in type of gelatin (bovine and rabbit), ratio between gelatin and oxidized dextran (1 to 1, 2 to 1, 3 to 1), number of printed layers (1, 3, 5) and type of activating agent (NH3, TEA). The aim of this work was to assess the influence of material preparation and printing conditions on the resulting porosity of samples (number, size, total volume of pores) using SEM (scanning electron microscopy) and CT (computed tomography). The gelatin-based printing material is a promising material matrix for implementation of stem cells in vivo. A great disadvantage is its solubility in water and poor mechanical stability, which makes it impossible to be used in 3D printing. The solution to this problem lies in additional cross-linking. However, the cross-linking process can in many cases lead to an increase of cytotoxicity. This situation can be solved by cross-linking using Schiff bases. The results of this thesis confirmed, that the overall porosity of gelatin-based materials depends on the source of gelatin, the number of printing layers, the ratio of gelatin and oxidized dextran and the type of activating agent. Prepared material shows a great potential in preparation of bioink, mainly due to its biocompatibility, low toxicity, and the possibility to use it in 3D printing of various structures.
Klíčová slova
Porozita, 3D tisk, Biomateriály, Želatina, Síťování
Klíčová slova v angličtině
Porosity, 3D print, Biomaterials, Gelatin, Crosslinking
Rozsah průvodní práce
115 s.
Jazyk
CZ
Anotace
Tato diplomová práce se zabývá 3D tiskem biomateriálů na bázi želatiny, síťované pomocí Schiffových bází. Připravené materiálové sady se liší typem želatiny (hovězí a králičí), poměrem želatiny a oxidovaného dextranu (1 ku 1, 2 ku 1, 3 ku 1), počtem natisknutých vrstev (1, 3, 5) a typem aktivačního činidla (NH3, TEA). Cílem této práce bylo posouzení vlivu přípravy materiálu a tiskových podmínek na výslednou porozitu vzorků (počet, velikost, objem pórů) pomocí metody SEM a CT. Tiskový materiál na bázi želatiny představuje slibný materiál pro přípravu matrice pro implementaci kmenových buněk in vivo. Její velkou nevýhodou je rozpustnost ve vodě a slabá mechanická stabilita, znemožňující její použití v 3D tisku, jehož řešení spočívá v dodatečné síťování. Proces síťování však v mnoha případech může vést k nárůstu cytotoxicity. Tento problém lze vyřešit síťováním pomocí Schiffových bází. Výsledky této diplomové práce potvrdily, že celková porozita materiálů na bázi želatiny, se liší v závislosti na původu želatiny, počtu tiskových vrstev, použitém poměru želatiny k oxidovanému dextranu a typu aktivačního činidla. Připravený materiál, tak představuje velký potenciál v přípravě bioinku, především díky jeho biokompatibilitě, nízké toxicitě, i možnosti jeho použití při 3D tisku různých struktur.
Anotace v angličtině
This diploma thesis deals with 3D printing of biomaterials based on gelatin, crosslinked using Schiff bases. The prepared material differs in type of gelatin (bovine and rabbit), ratio between gelatin and oxidized dextran (1 to 1, 2 to 1, 3 to 1), number of printed layers (1, 3, 5) and type of activating agent (NH3, TEA). The aim of this work was to assess the influence of material preparation and printing conditions on the resulting porosity of samples (number, size, total volume of pores) using SEM (scanning electron microscopy) and CT (computed tomography). The gelatin-based printing material is a promising material matrix for implementation of stem cells in vivo. A great disadvantage is its solubility in water and poor mechanical stability, which makes it impossible to be used in 3D printing. The solution to this problem lies in additional cross-linking. However, the cross-linking process can in many cases lead to an increase of cytotoxicity. This situation can be solved by cross-linking using Schiff bases. The results of this thesis confirmed, that the overall porosity of gelatin-based materials depends on the source of gelatin, the number of printing layers, the ratio of gelatin and oxidized dextran and the type of activating agent. Prepared material shows a great potential in preparation of bioink, mainly due to its biocompatibility, low toxicity, and the possibility to use it in 3D printing of various structures.
Klíčová slova
Porozita, 3D tisk, Biomateriály, Želatina, Síťování
Klíčová slova v angličtině
Porosity, 3D print, Biomaterials, Gelatin, Crosslinking
Zásady pro vypracování
1. Vypracujte literární rešerši na dané téma.
2. Pomocí 3D tisku připravte porézní systémy na bázi hydrogelů. Prozkoumejte vliv procesních parametrů tisku na tvarovou přesnost vytvářených struktur.
3. Připravené struktury charakterizujte pomocí rentgenové tomografie.
4. Získané výsledky přehledně diskutujte a uveďte hlavní závěry práce.
Zásady pro vypracování
1. Vypracujte literární rešerši na dané téma.
2. Pomocí 3D tisku připravte porézní systémy na bázi hydrogelů. Prozkoumejte vliv procesních parametrů tisku na tvarovou přesnost vytvářených struktur.
3. Připravené struktury charakterizujte pomocí rentgenové tomografie.
4. Získané výsledky přehledně diskutujte a uveďte hlavní závěry práce.
Seznam doporučené literatury
1. Murphy, S.V., Atala, A., 3D Bioprinting of Tissues and Organs, Nature Biotechnology, 2014, 32, 8, 773-785.
2. Stock, S.R., MicroComputed Tomography: Methodology and Applications, CRC Press, 2009. ISBN 13:978-1-4200-5876-5.
3. Ligon, S.C., et.al, Polymers for 3D printing and Customized Additive Manufacturing, Chemical Reviews, 2017, 117, 15, 10212-10290.
Seznam doporučené literatury
1. Murphy, S.V., Atala, A., 3D Bioprinting of Tissues and Organs, Nature Biotechnology, 2014, 32, 8, 773-785.
2. Stock, S.R., MicroComputed Tomography: Methodology and Applications, CRC Press, 2009. ISBN 13:978-1-4200-5876-5.
3. Ligon, S.C., et.al, Polymers for 3D printing and Customized Additive Manufacturing, Chemical Reviews, 2017, 117, 15, 10212-10290.
Přílohy volně vložené
-
Přílohy vázané v práci
ilustrace, grafy, tabulky
Převzato z knihovny
Ne
Plný text práce
Přílohy
Posudek(y) oponenta
Hodnocení vedoucího
Záznam průběhu obhajoby
Student představil komisi výsledky své diplomové práce. Komise byla seznámena s posudky a hodnocením vedoucího (A-výborně) a oponenta (B-velmi dobře). V rámci posudků byly studentovi položeny následující dotazy oponenta: 1) Je jednotka v záhlaví tabulky 1 na straně 15 uvedena správně?
2) Navržený model pro 3D tisk na obr. 26 je nepřesný. Není z něj jasné, jakým způsobem probíhal proces tisku. Můžete v průběhu tisku zastavit tok materiálu? Dojde k vytištění vzorku bez jasně patrné cesty vedoucí ke změně směru tisku?
Jaký byl rozměr tištěné struktury?
3) Z popisu nastavení 3D tisku v podkapitole 6.3.1 není jasné, zdali a na jakou teplotu byla vyhřívána tisková podložka. Rozveďte a zdůvodněte dané nastavení této proměnné.
4) V tabulce 3 a dále ve výsledcích uvádíte "procento obsazenosti". Vysvětlete význam tohoto parametru. Jakým způsobem byla stanovena plocha jednoho póru s chybou? Z kolika měření byl stanoven průměrný počet pórů s chybou?
5) Na obrázku 37B je uveden SEM obrázek řezu porézní strukturou. V následující tabulce je uvedena průměrná plocha jednoho póru. Takovéto průměrování nepovažuji za vhodné. Nenašel by se lepší a korektnější způsob vyjádření rozložení plošných průřezů danými póry?
6) Můžete obecně konstatovat, zdali měl počet tištěných vrstev vliv na vznikající póry v případě lyofilizovaných vzorků? Co bylo rozhodujícím faktorem s ohledem na změnu porozity lyofilizovaných vzorků?
7) Jak si vysvětlujete nárůst objemu pórů v případě lyofilizovaných vzorků, které byly opětovně hydratovány, viz graf č. 8? Otázky oponenta byly zcela zodpovězeny.
Poté byla vedena diskuze o diplomové práci, během které byly jednotlivými členy komise položeny následující dotazy: doc. Mráček - Máte hypotézu, proč více bobtnající vzorek měl naopak menší porozitu než vzorky, které bobtnaly méně? - dotaz byl zcela zodpovězen. Doc. Sedláček - 1. Co je to slicování? 2. Co je to Sol-gel přechod? 3. Probíhalo síťování před 3D tiskem? 4. Jaký byl účel tisku mřížky? Student zcela otázky zodpověděl. Dr. Moučka - Jaké rozlišení lze při daném 3D tisku Vašeho materiálu dosáhnout? Otázka byla zcela zodpovězena. Doc. Bartošík - 1. Jaké je rozlišení RTG tomografu, který byl použit? 2. Metody vyhodnocení pórů. Otázky byly zcela zodpoězeny. Student prokázal hluboké teoretické znalosti dané problematiky a schopnost jejich aplikace. Obhajoba diplomové práce byla přesvědčivá a úplná. Na otázky vedoucího, oponenta a komise odpovídal pohotově, věcně a správně.