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
Physics, Vienna, Austria
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
