Studentská vědecká konference 2020

Liposomy jsou jednou z užívaných forem transportu látky v organismu. Jedná se o kulovité váčky tvořené fosfolipidovou membránou. Membrána liposomů je zcela biokompatibilní, což je jednou z výhod tohoto způsobu přepravy látek. Membrány s dosud užívaným složením jsou však schopny v liposomech udržet jen některé z účinných látek. Lipidickou membránu je tudíž vhodné modifikovat například přidáním některých vzácnějších fosfolipidů, které se objevují například u některých bakterií, jejichž membrány fungují i v extrémnějších podmínkách. To může slibovat i nižší propustnost vůči některým látkám. Cílem práce je připravit a charakterizovat liposomy obsahující vzácnější fosfolipidy z přírodně získaného materiálu. Jelikož je biotechnologický proces získávání takovýchto fosfolipidů zdlouhavý a obecně poskytuje malé výtěžky, byla v rámci projektu nejprve provedena studie vlivu koncentrace standartních fosfolipidů na tvorbu liposomů. Výsledky budou použity pro design dalších experimentů už s dalšími fosfolipidy. Také byly provedeny pilotní experimenty s přírodními fosfolipidy pro pokus o získání vesicul, výsledné útvary byly charakterizovány pomocí TEM, DLS a optické mikroskopie.

Velmi důležitou součástí bezpečnostního inženýrství je modelování šíření plynů (mnohdy hořlavých nebo toxický) kolem zkoumaného objektu. Pro simulace šíření je podstatné vytvořit geometrii daného objektu v dostatečně přesné míře pro věrohodný výsledek. Bohužel se stává, že získat takovýto model objektu není zcela triviální. Objektem může být například vozidlo v podzemní garáži nebo výrobní zařízení v provozu. K účelům získání geometrie těchto modelů byla prozkoumána možnost užití fotogrammetrie. Fotogrammetrie je metoda, která umožňuje pomocí fotografií objektu z různých úhlů zpětně zjistit hloubku jednotlivých pixelů a následně triangulací sestavit mračno bodů, které reprezentuje model. Mezi výhody této techniky paří její dostupnost a nedestruktivnost. Jelikož fotogrammetrie pracuje pouze na základě rozlišení barev z fotografií, její zásadním nedostatkem je rozlišení jednotvárných ploch a lesklých povrchů. Pro účel ověření použitelnosti za ztížených podmínek bylo modelováno osobní auto, které představuje velice obtížný objekt k zachycení. Nakonec je výsledný model porovnán s ručně vypracovanou verzí z hlediska náročnosti vypracování.  

Příroda je šikovný inženýr, která vždy byla předobrazem vědeckých vynálezů. Příroda měla dost času na to, aby si mohla promyslet a provést úpravy ve svých technologiích. To, co vidíme teď, přešlo 4 miliardy let evoluce. Lidi se snaží využívat těchto principů a vědný obor, který se tím zabývá je známý jako biomimetika. Mnohé přírodní povrchy mají antibakteriální nebo samočisticí efekt, např. křídla hmyzů nebo povrchy listů některých rostlin. Známý je lotosový efekt - jev, který spočívá v hydrofobním povrchu lotosových listů, který odpuzuje vodu. Nečistoty se rozpouští ve vodě a opouští povrch. Dalším příkladem jsou křídla vážek a cikád, které mají antibakteriální efekt. Díky nanopilířkům na jejich povrchu narušují bakteriální stěnu, a tím dochází k buněčné lýze. Táto práce se zabývá těmito povrchy a snaží se je replikovat do polymerní matrice. Cílem práce je vytvořit nanostrukturované repliky přírodních povrchů, zvolit nejvhodnější materiál pro replikace a nejvhodnější parametry pro přípravu. Dalším cílem bude analýza fyzikálních vlastností vytvořené kopie, zejména úhel smáčení a hystereze kontaktního úhlu. Měření budu provádět pomocí optického tenziometru a následně porovnávat výsledky s původním biologickým vzorkem.

In my project I aim to make modular robots that could operate on a scale of just few micrometers. Conventional robotics use mainly electronics and programming to create robots that nowadays are able to do wide variety of tasks. However their designs are too complicated and thus are completely unsuitable for miniaturization. Our research group has already established that hydrogels, soft, squishy materials, are suitable candidates as the main building blocks for these microrobots. Recently a prototype of such microrobot has been introduced. It can do simple tasks like moving objects from one place to another. However so far a specific microrobot design is required for every single desired task. I aim to change that by exploring the idea of having one universal microrobot that could be used as a building block for basically any design we desire. This would greatly improve their overall modularity where instead of designing a specific microrobot we could just quickly assemble one on sight. In my experiments I use circular discs as a universal shape for creating larger structures. I also developed a method to chemically attach them to each other which works very similarly to a sewing machine or welding.   

The presentation on topic “Non-enzymatic detachment of mammalian cells using structured surface” provides theoretical introduction into problematics of cell harvesting. In last decades, the utilization of stem cells in modern regenerative medicine is frequently discussed. The potential stretches from treatment of conditions like blindness or deafness over wound healing to cure of neurodegenerative diseases or diabetes. One of the requirements in stem cells research and treatment application is large amount of high-quality stem cells. In this presentation are pointed out difficulties connected with enzymatic cell harvesting and a possible non-enzymatic solution is propounded. Thermoresponsive polymer PNIPAM as a fascinating tool for cell harvesting is described and compared with other common cell harvesting techniques. The assumptions leading to main hypothesis “Thermoresponsive cell harvesting in combination with hierarchically structured surface enables harvesting of large number of non-damaged stem cells” are emphasized. Goals of the project are set and methods for the future experiments are implied.

Current drug manufacture methods are based on large scale production with a few dosage strength variations. A new manufacturing method is needed to reach the patient-specific requirements for personalized medicine. The main idea of personalized medicine is that drugs are tailored to the individual patient using patient-specific information. Different ways of producing personalized medication are currently investigated, for example 3D print or drop-on-demand (DoD) technique. This work aimed to explore the effect and possible use of placebo tablets with silica particles to meet the patient-specific requirements for personalized medicine. The placebo tablets containing mesoporous silica were prepared to meet the manufacturing criteria such as hardness and friability. The tablets were filled layer-by-layer with a precise dose of API by drop-on-demand (DoD) technique, which is a liquid dosing system with validated precision (Figure 1). It was found that the number of layers affects the dissolution profile of the tablet. Thus, different dissolution profiles can be achieved. Overall, this method shows the potential to be used in personalized medicine, where various doses and specific dissolution profiles are needed to fit the patient’s requirements.

It is a well-known phenomenon, that after contact or friction between two polymers a static electricity is developed. For hundreds of years, it has been believed that polarity of charge is the material property and thus the surface of one polymer charges positively and the second negatively. However, because of surface inhomogeneities and asymmetrical friction, the charge creates a mosaic with both positive and negative spots on a surface. The aim of my work is to investigate the influence of surface inhomogeneities, on charge transfer. For this purpose, I use Atomic Force Microscopy (AFM) in two modes (KPFM – Kelvin probe force microscopy and Peak force - QNM). KPFM measures the topography of the surface and the surface potential, while PFQNM measures the adhesive forces on the surface using Force distance curves. Additionally, I also measured the effect of various external influences (e.g. temperature, pressure during contact/ friction of polymers, duration of contact or humidity) on charge transfer and dissipation. The knowledge gained in this work can be applied for example in triboelectric separation of plastics.  

V této práci se budeme zabývat optimalizací procesu katalytické oxidace v mikroreaktoru s meandrujícím kanálkem. Přesněji, budeme zkoumat výrobní proces kyseliny akrylové a možné zvýšení efektivity tohoto procesu pro průmyslové využití. Příprava kyseliny akrylové bude vedena ve dvojici mikroreaktorů, kde v jednom bude probíhat oxidace propylenu a v druhém oxidace akrylaldehydu. Výzkum tohoto procesu je možný pomocí mikroreaktorů, které díky své specifické vnitřní struktuře nalézají mnoho výhodných aplikací v chemických procesech a mohou napodobit prostředí průmyslového reaktoru v laboratoři. Použití mikroreaktoru s meandrujícím kanálkem nám umožní mnohem přesněji měřit, zhodnotit a studovat jednotlivé aspekty výroby kyseliny akrylové.

Microcapsules are largely used in drug transportation, as they can be loaded with active pharmaceutic ingredients and transported within the lungs or other organs. There are several techniques to prepare these capsules. The electrospraying method is attractive because of its simplicity, along with cost, and material modesty. Moreover, monodisperse particles can be produced, and with the precise control of several factors, the final size of produced capsules can be adjusted for a specific use. Our work aims to optimize the most important factors that are affecting electrospraying, in order to deliver stable monodisperse particles on the scale of micro, and nanoparticles.   Electrospraying of an alginate solution under increased voltage introduces Coulomb forces in droplets. Due to these forces, particles are destabilized and thus, divided into very small droplets. These droplets are deposited directly into the bath containing Ca²⁺ ions which are causing the entanglement of chains of the polymer and small gel capsules are formed. Here, we present the effect of concentration of both alginate and Ca²⁺ solutions, temperature, and different ways to entangle sprayed solution with the precipitant, and methods of how to effectively detect its size and morphology of produced particles.