Aktuálně řešené projekty

Prevence a léčba infekcí v ortopedii pomocí injektovatelné vstřebatelné kostní náhrady postupně uvolňující patogen specifické antimikrobiální látky

Řešitel: doc. Ing. Tomáš Suchý, Ph.D.

V tomto projektu máme za cíl vyvinout novou injektovatelnou resorbovatelnou náhradu kosti pro regeneraci kostních defektů s postupným uvolňováním patogen specifické antimikrobiální látky pro prevenci i léčbu kostních infektů. Díky nadužívání antibiotik a rozvoji rezistetních bakterií se v projektu zaměříme na antibakteriální enzymy účinné vůči rezistením formám Staphyloccocus aureus a porovnáme jejich účinek s běžně užívanými antibiotiky. Injektovatelná náhrada umožní přesně vyplnit nepravidelné kostní defekty, pro své osteoinduktivní vlastnosti podpoří tvorbu nové kostní hmoty a její přirozenou remodelaci, a zabrání rozvoji infekce kosti pomocí antimikrobiálních látek s řízeným lokálním uvolňováním. Kompozitní injektovatelná pasta bude připravena z nového materiálu na bázi fosforečnanu vápenatého, biopolymeru a termocitlivého kopolymeru a po vytvrzení v organismu bude vykazovat unikátní mechanické vlastnosti dosažené pomocí krystalizace v tělním prostředí. Antibakteriální kostní výplně budou charakterizovány pro své strukturní, mechanické, degradační a cytotokompatibilní vlastnosti pomocí souboru in vitro a ex vivo testů. Osteointegrační a antibakteriální vlastnosti kostních náhrad budou ověřeny na zavedeném zvířecím modelu velkého kostního defektu a na modelu infikovaného kostního defektu.

Komplexní in vitro, ex vivo a in vivo experimentální studie osteoinduktivního fosfátového adheziva určeného pro lepení zlomenin kostí a provádění artrodéz

Řešitel: doc. Ing. Radek Sedláček, Ph.D.

Cílem projektu je vývoj a injekční aplikace nového vstřebatelného „samotuhnoucího“ kostního adheziva ve formě polotekuté pasty na tříštivé zlomeniny tak, aby se malé fragmenty zlomené kosti spojily dohromady jako puzzle a při doplnění o vnitřní osteosyntézu tak bylo umožněno prakticky okamžité plné zatěžování poraněné kosti, respektive přidruženého kloubu a tím nevznikly trvalé následky prodělané nitrokloubní zlomeniny. Kostní lepidlo během tuhnutí při fyziologických podmínkách fixuje zlomeninu, pomalu se vstřebává a zároveň uvolňuje produkty hydroxyapatitu, čímž nastartuje primární kostní hojení, na jehož konci bude kompletně resorbované adhezivum, pevně zhojená kost bez nitrokloubních schodků a pacient připravený k okamžité rehabilitaci.

Nanovlákenné chirurgické nitě s bioaktivními a antimikrobiálními látkami

Řešitel : doc. Ing. Lukáš Horný, Ph.D.

Nanovlákna a nanovlákenné příze představují podle současné odborné literatury potenciál ke zvýšení kvality chirurgických nití. Vzhledem k nedostatečné robustnosti jejich současných způsobů výroby však nelze nanovlákenné nitě vyrábět kontinuálně a přenést takovou výrobu do průmyslového měřítka. Proto nanovlákenné chirurgické nitě dnes nejsou k dispozici pro klinické použití. Projektový tým má ambici tento problém vyřešit. Vyvinuli jsme efektivní metodu, která umožňuje kontinuální výrobu elektricky zvlákňovaných nanovlákenných přízí, které mají potenciál být použitelné v chirurgických nitích. Hlavním cílem projektu je otestovat nanovlákenné chirurgické nitě vyrobené našimi originálními laboratorními metodami střídavého elektrického zvlákňování a zkoumat jejich funkcionalizaci a testovat jejich mechanické, fyzikálně-chemické a biologické vlastnosti. 

Konkrétní cíle projektu: 

• Prvním konkrétním cílem projektu je použít metodu střídavého elektrostatického zvlákňování pro laboratorní výrobu funkcionalizovaných nanovlákenných přízí. 
• Biokompatibilita a také pro-adhezivní vlastnosti připravených přízí na bázi nanovláken budou hodnoceny pomocí in vitro testů na fibroblastech, buňkách prezentovaných v pojivové tkáni. 
• Dalším cílem je testování mimořádných vlastností chirurgických stehů obsahujících příze na bázi nanovláken. Jedná se hlavně o mechanické vlastnosti a schopnost řídit proces uvolňování léčiva. 
• Vybrané příze na bázi nanovláken budou také testovány in vivo na malých laboratorních zvířatech. 

Na projektu budou spolupracovat: Technická univerzita v Liberci, Ústav experimentální medicíny AV ČR, České vysoké učení technické a Krajská nemocnice Liberec. Služby poskytne Chirana T. Injecta. Tvorba nanovlákenných lineárních textilních struktur bude nepochybně mít významné důsledky pro oblast zdravotnických prostředků. Bez nadsázky lze předpokládat, že nanovlákenné příze způsobí podobnou revoluci ve zdravotnictví, jakou způsobily 2D nanovlákenné vrstvy.

Biomimetická cévní náhrada pro nízké průtoky umožňující fyziologický přenos pulzní vlny

Řešitel : Ing. Hynek Chlup, Ph.D.

Cílem projektu je vývoj cévní protézy s unikátní konstrukcí stěny. Protéza je určena pro nízké průtoky. Jde o sendvičový kompozit kombinující extrudovaný kolagen s polyesterovým pleteným scaffoldem, respektující stavbu nativní cévy. Způsob integrace scaffoldu mezi vnitřní a zevní kolagenní vrstvy zlepší biomechanickou odezvu náhrady, která se tak svými mechanickými vlastnostmi v obvodovém směru přiblíží nativní cévní stěně. Tato modifikace umožní přenos pulzní vlny, a tím lepší funkci náhrady v cévním systému. Použitým technologickým postupem bude možné programovat napnutí polyesterového scaffoldu v kolagenní matrici umožňující pouze limitní dilataci. Při výrobě cévní protézy bude využito technologie řízené extruze. Extruze umožňuje orientovat svazky kolagenních vláken do dominantních směrů, podobně jako tomu je v nativní cévní stěně. To má přímou vazbu na biomechanickou odezvu stěny protézy při působení krevního tlaku. Použitou technologií lze vytvořit náhradu s anizotropními mechanickými vlastnostmi korespondujícími s fyziologickou podstatou cévní stěny. Použitá konstrukce umožní zvýšení elasticity v místě anastomózy, díky spojení dvou obvodově podobně elastických trubic. Tyto vlastnosti pozitivně ovlivní hemodynamiku pulzujícího krevního toku krve. Řešitelský tým představuje multidisciplinární konsorcium klinických a akademických institucí, které spolu dlouhodobě intenzivně spolupracují. Aktivity projektu budou zahrnovat detailní charakterizaci kolagenových izolátů, mechanické i materiálové testování komponent a meziproduktů, optimalizovaný způsob extruze a komplexní biologické testování v podmínkách in vitro a in vivo. Výstupem projektu bude biomimetická kompozitní cévní protéza pro nízké průtoky s popsanými vlivy jednotlivých kroků výroby a komponent protézy na její fyzikální vlastnosti. Projekt navazuje na úspěšné předchozí projekty spolužadatelů.

Biomechanika aneuryzmat tepenožilního zkratu

Řešitel: doc. Ing. Lukáš Horný, Ph.D.

Ačkoliv je biomechanika oběhové soustavy velmi dynamicky se rozvíjejícím oborem, studium aneuryzmat v oblasti cévního přístupu stojí v boru biomechaniky poněkud stranou pozornosti. Přitom množství pacientů určených k dialýze stále roste. Je to ale právě vytvoření tepenožilního zkratu (AVF) pro dialyzační přístup, které, hraje zásadní roli při vzniku žilních aneuryzmat. Jiná žilní aneuryzmata než vzniklá za AVF jsou totiž velmi vzácná. Přesný mechanizmus vzniku aneuryzmatu AVF, kromě dosti vágního tvrzení, že jde o důsledek změněných hemodynamických podmínek, stále není znám. To samé platí i pro popis mechanických vlastností takto postižených žilních stěn. V literatuře nenajdeme článek, který by přinášel konstitutivní model pro mechanické chování aneuryzmat AVF. Cílem projektu je experimentálně identifikovat materiálové modely pro patologicky postižené žíly a porovnat je s chováním zdravé tkáně. Konstitutivní modely pro AVF aneuryzmata pak použijeme v simulacích výpočetní dynamiky kapalin s poddajnou stěnou pro určení změn, ke kterým dochází v hemodynamice AVF aneuryzmatu.

Mechanical engineering of biological and bio-inspired systems

Řešitel : prof. Ing. Michael Valášek, DrSc.

Realizace špičkového výzkumu využívajícího konvergence biologické a technologické evoluce členěného do dvou výzkumných záměrů: VZ A – Bioinspirované mechatronické systémy v tématech: 1. Vývoj materiálů na základě teoretických přístupů a bioinspirace; 2. Superlubricita strojních prvků inspirovaná biosystémy; 3. Vývoj SMART materiálových struktur a bioinspirovaných metamateriálových systémů; VZ B – Mechatronické systémy pro biomedicinské inženýrství v tématech: 1. Hybridní a kompozitní biomateriály; 2.Modifikace a nanostrukturování povrchů biomateriálů; 3. Mechatronické systémy pro biomedicínu 2. Rozvoj mezinárodní spolupráce a zvýšení internacionalizace výzkumu – prostřednictvím výzkumných pobytů (mobilit) členů týmu na špičkových zahraničních institucích a příjezdu špičkových zahraničních odborníků, přípravy mezinárodních projektů, spolupráce na zkvalitnění výuky na VŠ 3. Modernizace a upgrade infrastruktury – doplnění infrastrukturního vybavení pro realizaci naplánovaného špičkového výzkumu.

Additive manufcaturing of NiTi alloys for applications in orthopaedics and traumatology

Řešitel: prof. RNDr. Matej Daniel, Ph.D.

Over the last decades, the bone osteosynthesis has evolved in parallel with the general understanding of bone healing. Besides conventional approach allowing for a direct connection between the fragments (primary bone healing), multiple modern approaches focus on natural process (secondary bone healing) under formation of a stabilizing callus. The latter approach leads to a significant increase in the rate of fracture healing (Müller and Sommer, 2019). As this process is strongly related to a relative (interfragmentary) motion of the bone fragments, a possible alteration of the implant bending stiffness could have a direct impact on the bone healing process (Pfeifer et al., 2013). The Young’s moduli of metallic materials used for osteosynthesis range from 110 GPa for alfa-beta titanium alloys to 190-204 GPa for stainless steel and 210-240 GPa for Co-based alloys, and are thus much higher than the modulus of human cancellous bone (<3 GPa) or compact bone (12-17 GPa). The Young modulus of NiTi alloy is close to natural bone material and ranges between 28 and 83 GPa depending on the structure of the alloy. In addition, the strength of NiTi is superior to that of natural bone which makes it an ideal material for biomedical implants (Greiner et al., 2005). NiTi alloys in addition to its low stiffness, exhibit two closely related and unique properties: the shape memory effect and superelasticity (also called pseudoelasticity).

Výzkum a vývoj stabilizačních kotvících systémů pro zajištěnou intramedulární osteosyntézu

Řešitel: doc. Ing. Radek Sedláček, Ph.D.

Projekt je specificky zaměřený na výzkum a vývoj stabilizačních kotvících systémů pro zajištěnou intramedulární osteosyntézu. Kvůli přesahu do všech oblastí života, má vysokou přidanou hodnotu, zlepšuje zdravotní, sociální i ekonomické hledisko/obraz společnosti. Z těchto důvodů dané téma jednoznačně naplňuje záměr programu. A jelikož vede na vývoj nové unikátní řady traumatologických implantátů, které mají potenciál úspěšné komercializace, má i vysoké ambice v publikační sféře. 

Funkčně biomimetický exoskelet lidské horní končetiny pro selektivní podporu svalů

Řešitel: prof. Ing. Zbyněk Šika, Ph.D.

Cílem projektu je realizovat přenos poznatků a myšlenek z biologické funkce pohybového aparátu horní končetiny na návrh a technologii exoskeletu. Hlavní inovací projektu je zavedení konceptu redundantně poháněných systémů při konstrukci exoskeletu, které by následně ovlivnily redundantně ovládaný systém horní končetiny. Tento přístup se dá označit jako biomimetický podle ISO 18458:2015(E) a popis člověka i robota jako jednoho systému naplňuje podstatu biomechatroniky. Tento přístup umožní zaměřit funkci exoskeletu s cílem podpořit funkci jednotlivých svalů při komplexním pohybu a zároveň ovládat tuhost celého systému pro realizaci přesného pohybu nebo minimalizaci rizika selhání systému.

Centrum pokročilé elektronové a fotonové optiky

Řešitel: prof. Ing. Jan Hošek, Ph.D.

Projekt NCK2 Centrum pokročilé elektronové a fotonové optiky CAEPO navazuje na výzkumné aktivity stávajícího centra Centrum elektronové a fotonové optiky koordinované Ústavem přístrojové techniky v.v.v.i. AV ČR. Centrum sdružuje celkem 21 subjektů – 11 výzkumných organizací a 10 firem. Hlavním koordinátorem činností centra na ČVUT je fakulta strojní, která tím relizuje svoji dlouhodobou spolupráci s firmou Meopta Optika, ale i dalšími firmami v oboru fotonové optiky. Kromě FS se na aktivitách projektu podílí také fakulta stavební ČVUT.

SPD processed Beta-titanium alloys

Řešitel: Ing. Hynek Chlup, Ph.D.

Cíle návrhu projektu: 1.Vývoj technologií intenzivní plastické deformace pro dosažení nano/ultra-jemnozrnné struktury beta-titanových slitin ASTM F1713 a ASTM F1813 pro zvýšení jejich mechanických charakteristik a zlepšení biokompatibility. 2. vývoj technologie přípravy bioaktivního ostegenního povlaku pro zpracované jemnozrnné materiály. 3. Realizace zkoušek biokompatibility nano/ultra jemnozrnných beta-titanových slitin pro implantaci v oblasti dutiny ústní a maxilofaciální. 4. Studie mechanismů osteogenní indukce biodegradabilního materiálu založeného na fetální bovinní kosti a BMP-2. Tvorba biologického modelu, příprava vysoce efektivního ostogenického materiálu. 5. Aplikace nově zpracovaných materiálů včetně povrchových úprav pro implantáty určených pro dutinu ústní a maxilofaciální oblast.