Studentská vědecká konference 2022

Předmětem mého projektu je experimentálně prozkoumat rotaci hydrogelových mikrorotorů okolo jejich vlastní osy a následně navrhnout mechanismus jejich rotace ve spolupráci s UTIA.  Předmětné mikrorotory jsou objekty o velikosti desítek mikronů schopné rotovat při opakovaném smršťování a rozpínání. Sestávají se z termoresponzivního hydrogelu obsahujícícho zlaté nanočástice, a jsou vyráběny pomocí tzv. stop flow litografie. Rotor má tvar kříže se zahnutými rameny, je tedy chirální ve 2D – pravo- či levotočivý. Při vystavení pulzu světla dochází k reverzibilnímu smrštění a rozepnutí a následkem tohoto dojde k pootočení rotoru okolo osy. Směr rotace není pevně dán chiralitou rotoru, ale je možno ho ovlivnit délkou pulzu osvitu laserem. Cílem práce je nejen určit geometrické (počet a zahnutí ramen) a experimentální (délka pulzu) parametry, ovlivňující rychlost a směr rotace, ale také zkusit alespoň kvalitativně popsat mechanicky princip rotace, který v tuto chvíli není zřejmý. Již dříve byl skupinou dr. Řehoře vyvinut obdobný mikrorobot, vykonávající translaci, tudíž rotace představuje fundamentálně komplementární mód pohybu. Takovéto mirorotory by mohly sloužit jako čerpadla či ventily v mikrofluidních zařízeních, či by mohly být využity pro manipulaci a třídění buněk.  

K atomizaci neboli rozpad paprsku tekutiny dochází, když se vysokorychlostní tekutina po průchodu tryskou potká s tekutinou relativně nehybnou. Při rozpadu paprsku strmě roste kontaktní povrch mezi tekutinami, což má významný vliv na rychlost přestupu tepla a hmoty. Tohoto jevu se využívá například u spalovacích motorů, sprejových sušáren či bezpečnostních hasících zařízení. Přesný mechanismus atomizace však není zcela znám a jeho určení bylo a je předmětem mnoha studií. Z důvodu obtížně získatelných experimentálních dat je kladen důraz na doplnění informací pomocí numerických simulací. Cílem této práce je vytvořit simulaci paprsku tekutiny za účelem studia mechanismu jeho rozpadu v proudových čerpadlech. Konkrétně byl vyvinut numerický model jednofázového turbulentního proudění v osově-symetrické geometrii. Hlavní část práce byla zaměřena na určení citlivosti modelu na simulační parametry, například na jemnost sítě, okrajové podmínky, či výběr modelu turbulence . V navazující práci použijeme získané zkušenosti ke konstrukci složitějších modelů jako jsou modely s dvoufázovým prouděním, trojrozměrnou geometrií či LES přístupem k turbulenci.    

Nežádoucím vedlejším produktem spalovacích motorů jsou mimo jiné mikroskopické částečky sazí. K jejich odstranění slouží filtry pevných částic, které musejí být efektivní a zároveň bez výrazné tlakové ztráty. Využívá se polopropustných kanálků z porézního materiálu, které zajistí maximální filtrační účinnost za minimální tlakové ztráty. Emisní limity pro pevné částice se stále zpřísňují, a proto je nutné filtry průběžně zdokonalovat. Jako nástroj pro jejich optimalizaci se využívají počítačové simulace, díky kterým lze omezit nákladné experimenty. Tato práce se zaměřuje na simulace s pomocí 1D modelu filtru pevných částic, který na základě vstupních parametrů předpovídá tlakovou ztrátu a filtrační účinnost. Filtrace je vyhodnocena pomocí modelu jednotkových kolektorů, kdy je porézní stěna filtru popsána jako vrstva koulí o odpovídajícím průměru. V této práci ověřujeme přesnost těchto simulací srovnáním s výstupy z detailního 3D modelu, který využívá rekonstrukci skutečné morfologie porézní stěny filtru získanou z rentgenové tomografie.  

Hoci chemické záhradky boli objavené už v sedemnástom storočí, tieto nerovnovážne fyzikálno-chemické systémy neboli vedcami podrobne opísané ani študované. Až v posledných desaťročiach sa toto štúdium samoorganizovaných štruktúr polopriepustných membrán pevných látok a kvapalín oživilo. Nadobudnuté poznatky umožnili proces rastu čiastočne kontrolovať. Vo svojej práci sa zameriam na opis vlastností (vzhľad, čas rastu, vnútorná štruktúra atď.) polykryštálov, kvapalných roztokov a guľôčok, ktoré budú použité ako zárodok, z 2. periódy a 4. skupiny periodickej tabuľky. Zatiaľ čo nedávny výskum sa zameral na kontrolu samotného rastu štruktúr, málo prác zahŕňalo dôkladné štúdium ich morfológie, chemického zloženia a mikroštruktúry pre jednotlivé periódy a skupiny. Ak by sme dokázali presne určiť vlastnosti samotných semien a ich binárnych zlúčenín, mohli by sme s väčšou pravdepodobnosťou predpovedať a následne navrhnúť správanie zložitejších štruktúr. Získané poznatky sa dajú využiť v budúcej praxi pri 3D tlači a tvorbe komplexných materiálov.  

Tato práce vychází z projektu zaměřeného na přípravu kompozitních mikročástic responzivních na magnetické pole, které byly schopné řízeně vylučovat léčivo na vnější podnět. Mikročástice byly složeny z jádra obsahujícího suspenzi antibiotika norfloxacinu a vosku, který je za laboratorní teploty tuhý (T_t = 35 °C). Obal byl tvořen alginátem, zesíťovaným vápenatými ionty, obsahujícím magnetické nanočástice železa (SAR = 509,8 W/g). Aktuální výzkum se zabývá vylepšením této depotní formulace pro využití ve fyziologickém prostředí. Vosk v jádře byl nahrazen voskem tuhým nejen při laboratorní, ale i při fyziologické teplotě (T_t = 42 °C). Byly zkoumány nejvhodnější podmínky pro mletí krystalů antibiotika a vytvoření suspenze antibiotikum-vosk. Problémem, kterým se tato práce dále zabývá, je nestabilita iontového zesíťování a možná ztráta gelových vlastností alginátu ve fyziologickém prostředí. Z tohoto důvodu byl syntetizován methakrylovaný alginát, který je možné kovalentně zesíťovat pomocí UV záření. Zvýšená odolnost kovalentně zesíťovaného alginátu byla pozorována již po vystavení UV záření pouze na 10 sekund. Hlavním cílem práce je potvrzení vylepšených vlastností kompozitních mikročástic, testování jejich antibakteriálních vlastností a odolnosti vůči fyziologickým podmínkám.

S expandující lidskou populací se krom jiného neustále zvyšuje poptávka po orgánech vhodných k transplantaci. Darovaných orgánů je však trvalý nedostatek a na mnohé pacienty se zkrátka nedostane. Tento zřejmý problém se snaží řešit tkáňové inženýrství, a to produkcí orgánů umělých. K úspěšnému výrobnímu procesu je ovšem potřeba nesčetného množství buněk, jejichž efektivní pěstování i následné sklízení představuje nelehký inženýrský problém. Je známo, že mikrostruktura povrchu, na kterém buňky rostou, výrazně ovlivňuje jejich proliferaci. Taktéž máme k dispozici polymery, které při změně teploty v intervalu slučujícím se se životaschopností buněk, tzn. blízko běžným teplotám lidského těla, podstatně mění svou afinitu k vodě, což vede k uvolnění buněk dříve pevně přisedlých. Cílem tohoto projektu je tedy kombinací fotolitografie a měkké litografie připravit takový strukturovaný povrch, na němž buňky porostou kýženým způsobem, a jehož termoresponzivní vlastnosti významně ulehčí jejich sklízení.

V celosvětovém měřítku je trend dekarbonizace ekonomiky, zříkáváni se fosilních paliv a přechodu k čistším zdrojům energie. Tento trend lze pozorovat například v sektoru automobility, kde je znatelný přechod k vozům poháněných elektřinou. Ač jsou používané baterie na bázi lithia v pokročilém stádiu vývoje, stále jsou citlivé a jejich nesprávný provoz či charakterizace může vést k rychlejší degradaci, ekonomickým i enviromentálním ztrátám a v krajních případech i k tragickým haváriím. Pro pochopení chování baterií v různých podmínkách lze využít různé elektrochemické metody, jako je impedanční spektroskopie. Tato neinvazivní metoda, založená na perturbaci článku střídavým proudem či napětím různých frekvencí a pozorováním impedanční odezvy článku, může poskytnout cenné informace o vnitřních procesech v článku baterie. Různé elektrochemické či fyzikální procesy probíhají se specifickými časovými konstantami a jejich odezvy se tedy výrazně projevují pouze v určitém rozmezí frekvencí. V této práci bude studována závislost parametrů EIS spekter na provozních parametrech baterie (teplotě či stavu nabití) s cílem posoudit stabilitu těchto procesů za zvolených podmínek. Získané závislosti budou následně použity pro odhadování životnosti baterií při různých provozních podmínkách.

Znečištění ovzduší je jedním z největších problémů dnešní společnosti. Dopravní sektor stále produkuje velké množství emisí. Moderní automobily redukují vypouštěné množství škodlivých látek do ovzduší pomocí filtrů pevných částic s katalytickou vrstvou. Toto zařízení kombinuje schopnost katalyzátoru snížit plynné emise s funkcí filtru pevných částic. Optimální nanesení katalytické vrstvy do filtru je kritické pro správnou funkci. Musí co nejlépe zachovat nízké tlakové ztráty a současně vysokou filtrační účinnost a konverzi škodlivin během celého životního cyklu. Při jízdě je ovšem filtr pevných částic zanášen sazemi. Aby se předešlo ucpání, provádí se regenerace, jejímž cílem je spálit nahromaděné pevné částice při zvýšené teplotě. Vysoká teplota však může vyvolat změny v mikrostruktuře katalytické vrstvy a způsobit její deaktivaci. Vzorky katalytických filtrů s různou počáteční mikrostrukturou byly v laboratoři za kontrolovaných podmínek vystaveny zvýšené teplotě při regeneraci byl reprodukován a vliv na morfologii katalytické vrstvy byl vyhodnocen pomocí snímků z rastrovacího elektronového mikroskopu.  

V současné době jsou vyvíjeny nové účinné farmaceutické látky, které jsou ve většině případů prakticky nerozpustné ve vodném prostředí. S touto vlastností jsou spojené další problémy, jako nízká biologická dostupnost, nutnost zvýšeného dávkování, potřeba velkého množství pomocných látek či vyšší ekonomická a technologická nákladnost. Možným řešením tohoto problému je formulace účinných látek ve formě nanokrystalů, které mají extrémně velký poměr povrch-objem, díky kterému je jejich rozpustnost mnohonásobně větší a je jí dosaženo rychleji. Tato práce se zabývá přípravou nanokrystalů, jejich úpravou a formulací do lékové formy. Cílem práce je dosáhnout univerzálního postupu pro formulaci špatně rozpustných látek. Jako testovací látka byl zvolen candesartan cilexetil, ze kterého jsou připravovány nanokrystaly metodou mokrého mletí se stabilizátory – surfaktanty, které zabraňují aglomeraci a Ostwaldovu zrání nanokrystalů. Vzniklá suspenze nanokrystalů se upravuje pomocí lyofilizace, přičemž se zkoumá vliv protektantů na vlastnosti vzniklých nanokrystalů či aglomerátů; nebo je přímo využita na formulaci pomocí vlhké granulace. Dále jsou tyto vzorky podrobeny disolučním testům a srovnáním s původní formulací používaného léčiva.