Diplomová práce se zabývá chováním termoplastického elastomeru na bázi blokového kopolymeru poly(styrene-b-poly(ethylene-stat-butylene)-b-poly(styrene) (SEBS) plněného magnetickými částicemi karbonylového železa (CI) ve specifických poměrech (5-60 hm. %). Tyto kompozity mají vynikající schopnost chytrých materiálů reagovat na vnější podnět (magnetické pole) a také je lze připravovat ve formě scafoldů poskytujících vhodné prostředí pro kultivaci buněk. Teoretická část této práce se věnuje metodám 3D tisku a jeho využití pro přípravu scafoldů. Dále jsou zde popsány elastomerní systémy a materiály schopné odezvy na vnější podnět. Praktická část popisuje přípravu kompozitních materiálů obsahujících SEBS a CI částice a jejich následné charakterizování pomocí diferenciální snímací kalorimetrie, dynamické mechanické analýzy, rotační reometrie v oscilačním režimu bez a v přítomnosti magnetického pole. Popsány jsou dále procesy přípravy 3D tištěných scafoldů. V závěru práce je vyhodnocena cytotoxicita na základě extraktů a přímého kontaktu s buňkami, která zcela potvrzuje možnou aplikaci scafoldů jako substrátu v buněčném prostředí.
Anotace v angličtině
This master thesis deals with behaviour of the thermoplastic elastomer based on block copolymer poly(styrene-b-poly(ethylene-ran-butylene)-b-poly(styrene) (SEBS) filled with magnetic particles carbonyl iron (CI) at various filler content (5-60 wt. %). These composites have superior capability of smart systems responding on the external stimulus (magnetic field) and also can be fabricated in the form of scaffolds providing excellent substrate for cell culturing. Theoretical part of this thesis is dedicated to methods of 3D printing and its possibilities of the scaffold preparation. Furthermore, there is specific description of various elastomeric systems and stimuli responsive materials. The practical part is focused on the preparation of masterbatches containing SEBS and CI particles and their subsequent characterization using differential scanning calorimetry, dynamic mechanical analysis, rotation rheometry in oscillatory mode in absence as well as in the presence of magnetic field. The fabrication procedure of 3D printed scaffolds is carefully investigated. Finally, the evaluation of the scaffolds cytotoxicity, based on extracts and direct contact with cells clearly confirming their possible application as a substrate in the cells environment.
thermoplastic elastomer, SEBS, carbonyl iron, 3D printing, scaffolds, magnetic field, smart systems, biocompatibility
Rozsah průvodní práce
89 s.
Jazyk
CZ
Anotace
Diplomová práce se zabývá chováním termoplastického elastomeru na bázi blokového kopolymeru poly(styrene-b-poly(ethylene-stat-butylene)-b-poly(styrene) (SEBS) plněného magnetickými částicemi karbonylového železa (CI) ve specifických poměrech (5-60 hm. %). Tyto kompozity mají vynikající schopnost chytrých materiálů reagovat na vnější podnět (magnetické pole) a také je lze připravovat ve formě scafoldů poskytujících vhodné prostředí pro kultivaci buněk. Teoretická část této práce se věnuje metodám 3D tisku a jeho využití pro přípravu scafoldů. Dále jsou zde popsány elastomerní systémy a materiály schopné odezvy na vnější podnět. Praktická část popisuje přípravu kompozitních materiálů obsahujících SEBS a CI částice a jejich následné charakterizování pomocí diferenciální snímací kalorimetrie, dynamické mechanické analýzy, rotační reometrie v oscilačním režimu bez a v přítomnosti magnetického pole. Popsány jsou dále procesy přípravy 3D tištěných scafoldů. V závěru práce je vyhodnocena cytotoxicita na základě extraktů a přímého kontaktu s buňkami, která zcela potvrzuje možnou aplikaci scafoldů jako substrátu v buněčném prostředí.
Anotace v angličtině
This master thesis deals with behaviour of the thermoplastic elastomer based on block copolymer poly(styrene-b-poly(ethylene-ran-butylene)-b-poly(styrene) (SEBS) filled with magnetic particles carbonyl iron (CI) at various filler content (5-60 wt. %). These composites have superior capability of smart systems responding on the external stimulus (magnetic field) and also can be fabricated in the form of scaffolds providing excellent substrate for cell culturing. Theoretical part of this thesis is dedicated to methods of 3D printing and its possibilities of the scaffold preparation. Furthermore, there is specific description of various elastomeric systems and stimuli responsive materials. The practical part is focused on the preparation of masterbatches containing SEBS and CI particles and their subsequent characterization using differential scanning calorimetry, dynamic mechanical analysis, rotation rheometry in oscillatory mode in absence as well as in the presence of magnetic field. The fabrication procedure of 3D printed scaffolds is carefully investigated. Finally, the evaluation of the scaffolds cytotoxicity, based on extracts and direct contact with cells clearly confirming their possible application as a substrate in the cells environment.
thermoplastic elastomer, SEBS, carbonyl iron, 3D printing, scaffolds, magnetic field, smart systems, biocompatibility
Zásady pro vypracování
V současnosti se technologie 3D tisku rozvijí velmi rychle a z pohledu průmyslových aplikací začíná být velmi žádanou zpracovatelskou technologii pro různé typy polymerních materiálů.
Použití aktivního magnetického plniva a termoplastického elastomeru, navíc poskytuje výslednému materiálu další funkcionalitu vlivem magnetického pole (aktuace (vratný děj změny rozměru materiálu) anebo řízení výsledné tuhosti materiálu). 3D tisk pak umožňuje těmto systémům dodat zajímavý většinou velmi složitý tvar, kterého by konvenčními zpracovatelskými metodami (vytlačování, vstřikování) nebylo možné dosáhnout.
Student se bude v rešeršní části zabývat 3D tiskem obecně. Popíše různé typy materiálů, které jsou vhodné pro 3D tisk a zaměří se na tisk termoplastických elastomerů. Dále pak obecně uvede možnosti 3D tisku kovových materiálů (magnetických i nemagnetických) a nakonec se zaměří na 3D tisk kompozitních systémů a konkrétně na systémy plněné magnetickým plnivem.
V experimentální části připraví student polymerní kompozity na bázi termoplastických elastomerů obsahující různé množství magnetického plniva. Tyto systémy bude charakterizovat pomocí různých analytických metod, spektroskopických technik, termických metod a mechanických vlastností. Nakonec provede 3D tisk připravených systémů do formy finálních výrobků a bude hodnotit jejich vlastnosti pod vlivem různé intenzity magnetického pole.
Zásady pro vypracování
V současnosti se technologie 3D tisku rozvijí velmi rychle a z pohledu průmyslových aplikací začíná být velmi žádanou zpracovatelskou technologii pro různé typy polymerních materiálů.
Použití aktivního magnetického plniva a termoplastického elastomeru, navíc poskytuje výslednému materiálu další funkcionalitu vlivem magnetického pole (aktuace (vratný děj změny rozměru materiálu) anebo řízení výsledné tuhosti materiálu). 3D tisk pak umožňuje těmto systémům dodat zajímavý většinou velmi složitý tvar, kterého by konvenčními zpracovatelskými metodami (vytlačování, vstřikování) nebylo možné dosáhnout.
Student se bude v rešeršní části zabývat 3D tiskem obecně. Popíše různé typy materiálů, které jsou vhodné pro 3D tisk a zaměří se na tisk termoplastických elastomerů. Dále pak obecně uvede možnosti 3D tisku kovových materiálů (magnetických i nemagnetických) a nakonec se zaměří na 3D tisk kompozitních systémů a konkrétně na systémy plněné magnetickým plnivem.
V experimentální části připraví student polymerní kompozity na bázi termoplastických elastomerů obsahující různé množství magnetického plniva. Tyto systémy bude charakterizovat pomocí různých analytických metod, spektroskopických technik, termických metod a mechanických vlastností. Nakonec provede 3D tisk připravených systémů do formy finálních výrobků a bude hodnotit jejich vlastnosti pod vlivem různé intenzity magnetického pole.
Seznam doporučené literatury
1. CHEN, S.Y., ZHANG, Q.L., FENG, J.C., 3D printing of tunable shape memory polymer blends, Journal of Materials Chemistry C, 2017, vol. 5, pp. 8361-8365.
2. QI, S., XIE, Y. P., LI, Y. P., GAN, R. Y., YU, M., Versatile magnetorheological plastomer with 3D printability, switchable mechanics, shape memory and self-healing capacity, Composites Science and Technology, 2019, vol. 183, pp. 108017.
3. QI, S., GUO, H. Y., FU, J., XIE, Y. P., ZHU, M., YU, M., 3D printed shape-programmable magneto-active soft matter for biomimetic applications, Composites Science and Technology, 2020, vol. 188, pp. 107973.
Seznam doporučené literatury
1. CHEN, S.Y., ZHANG, Q.L., FENG, J.C., 3D printing of tunable shape memory polymer blends, Journal of Materials Chemistry C, 2017, vol. 5, pp. 8361-8365.
2. QI, S., XIE, Y. P., LI, Y. P., GAN, R. Y., YU, M., Versatile magnetorheological plastomer with 3D printability, switchable mechanics, shape memory and self-healing capacity, Composites Science and Technology, 2019, vol. 183, pp. 108017.
3. QI, S., GUO, H. Y., FU, J., XIE, Y. P., ZHU, M., YU, M., 3D printed shape-programmable magneto-active soft matter for biomimetic applications, Composites Science and Technology, 2020, vol. 188, pp. 107973.
Přílohy volně vložené
-
Přílohy vázané v práci
-
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) Na straně 46 a 58, podkapitola 8.2 respektive 9.2.1 píšete, že rychlost pohybu tiskové trysky byla 4 m/s. Je tento údaj uveden správně? Umožňuje použitá tiskárna takovýto rychlý tisk?
2) Na straně 52 píšete, že odlišné chování vzorku s 30 % plněním je způsobeno jeho tepelnou degradací. Jak si vysvětlíte, že nedegradovaly vzorky s jiným (vyšším nebo nižším) plněním?
3) Na obr. 34 až 38 a v tabulce 7 uvádíte přesnost měření vláken v řádech jednotek nanometrů. Má vůbec smysl něco takového uvádět, když měříte pomocí optického mikroskopu? Jaká je rozlišovací schopnost optického mikroskopu? Pomocí jaké techniky by bylo možné charakterizovat průměr vláken s přesností na jednotky nanometrů?
4) S pomocí prezentovaných obrázků 48-55 tvrdíte, že plnivo je rovnoměrně distribuováno v tištěném vlákně. Na základě jakých informací toto usuzujete? Byly prováděny spektrální mapy přes příčné řezy vláken nebo jste se díval pouze na jejich povrch? Na tomto místě nutno vytknout nedostatečné kontrastování obrázků z EDX a fluorescenční optické mikroskopie. V tištěné verzi nemají dostačující vypovídající hodnotu.
5) Na Obr. 39 až 47 uvádíte obrázky z SE/BSE detektoru SEM. Tyto výsledky jsou trošku nepřehledně uspořádané. Proč uvádíte obrázky z dvou různých detektorů? Poskytuje Vám porovnání obrázků z různých detektorů nějaké dodatečné informace o tištěné struktuře?
6) Jak vysvětlíte vychýlení tištěných scaffoldů na Obr. 58 a 59 při 0 kA/m? Z porovnání výsledků uvedených na těchto obrázcích není jasné, k jakému faktickému vychýlení došlo v závislosti na rostoucí hodnotě magnetického pole, což je dosti na škodu s ohledem na zaměření celé práce.
7) Na obrázku 61 až 65 uvádíte kontrastní porovnání buněk na povrchu tištěných vláken. V rámci diskuze k těmto obrázkům na konci strany 73 si trošku protiřečíte z hlediska vlivu plnění na možnosti zobrazovaní zachycených buněk na povrchu tištěného vlákna pomocí fluorescenční mikroskopie. Jakou jinou zobrazovací techniku lze použít, aniž by Vás omezovalo množství plniva v polymerní matrici? Otázky oponenta byly zcela zodpovězeny
Poté byla vedena diskuze o diplomové práci, během které byly jednotlivými členy komise položeny následující dotazy: doc. Mráček - Vzorky jste vystavili působení magnetického pole, přičemž jste aparaturu sestavil sám. Bylo pole homogenní? Jaká byla přesnost umístění vzorku v magnetickém poli? - dotaz byl zcela zodpovězen. Doc. Sedláček - Proč jste zvolil teplotní oblast pro DMA analýzu do 298K? Byly definovány vlivy plnění na Tg materiálu? Z čeho usuzujete na zlepšení biokompatibility materiálu s maximálním plněním? Dotazy byly zcela zodpovězeny. Doc. Bartošík - Můžete podrobněji vysvětlit, proč při vyšších koncentracích docházelo ke snížení elastické pevnosti? Student dotaz zcela zodpověděl. Dr. Moučka - Čím je způsobena lepší kvalita struny při 3D tisku u kompozitů s nejvyšším plněním? Dotaz byl zcela zodpovězen. Student prokázal hluboké znalosti dané problematiky a schopnost je chápat v širokých souvislostech. Vystoupení bylo jisté a přesvědčivé. Na doplňující otázky reagoval správně s pohotově.