Studentská vědecká konference 2023

Hlavním neduhem perorálně podávaných léčiv je jejich nízká biologické dostupnost, způsobená jejich nízkou rozpustností a permeabilitou. Ty jsou pro většinu nových léčiv velmi nízké, což má za následek komplikace s jejich vývojem a testováním, nebo jejich úplné zavrhnutí. Tento problém se často řeší na molekulární úrovni či zvýšením množství léčiva a excipientů. To vede ke zvýšení nákladů, nebo u konkrétních léčiv není tento postup možný. Možným řešením, kterým se ve své práci zabývám, je příprava účinných farmaceutických látek za pomoci koloidně stabilní nanosuspenze pomocí mokrého mletí jako meziproduktu, což způsobuje urychlení rozpouštění, a tím teoreticky i biologickou dostupnost. Samotná nanosuspenze při standardním disolučním testu uvolňuje veškerou účinnou látku řádově rychleji než prášková forma. Pro lepší manipulaci a dávkování suspenzi dále zpracovávám pomocí lyofilizace, granulace či sprejového sušení až do finální lékové formy, tablety. Budoucím cílem projektu je zlepšení biologické dostupnosti a modulovatelnost křivky uvolnění, tudíž využití nanosuspenzí pro dosažení vyšší hladiny léčiva v krvi či pro pozvolnější uvolňování.   

V naší práci se zabýváme predikcí povrchového (mezifázového) napětí pro systém kapalina-pára.  Tato veličina se využívá při popisu jevů probíhajících na fázovém rozhraní a je využívána při modelování morfogeneze materiálů, například polymerních membrán. Jedná se ale o obtížně měřitelný parametr, a proto se snažíme o jeho predikci skrze termodynamicky konzistentní výpočty – bez nutnosti odhadování parametrů z experimentálních dat.  Využíváme teorie gradientu hustoty, díky níž můžeme použít stavové rovnice k popisu fázového rozhraní.  Aplikovali jsme proto stavovou rovnici van der Waals-711 - modifikaci van der Waalsovy rovnice, známé jako první stavová rovnice reálného plynu, jejíž prediktivní síla je ale limitovaná. Verze vdW-711 přináší do rovnice nový parametr, přinášející vliv acentrického faktoru, dnes zahrnutého ve většině běžných stavových rovnic.  Pro zajištění numerické stability výpočtu se využívá Cahnova-Hilliardova modelu, používaného běžně při popisu dynamiky spinodální dekompozice u systémů procházející fázovou separací. Výsledkem je ustálený rovnovážný profil hustoty, z nějž se získá hodnota povrchového (mezifázového) napětí. V současnosti rozšiřujeme výpočty pro nepolární alkany a cykloalkany a pracujeme s vybranými prvky a anorganickými sloučeninami.  

Z depotních formulací pro lokální vylučování léčiv (gelů, pásek, vláken) jsou léčiva zpravidla vylučována nekontrolovaně, což vede k nestálé koncentraci antibiotika v místě aplikace a může zapříčinit vznik bakteriální rezistence. Formulací, která by mohla tento problém řešit, jsou kompozitní částice, které díky své struktuře umožňují kombinaci několika složek a vhodné zapouzdření léčivé látky. Kompozitní mikročástice, které jsou předmětem této práce, byly připraveny metodou enkapsulace tak, aby byly schopné řízeného dávkování antibiotika na vnější podnět. Mikročástice byly vytvořeny z jádra obsahujícího vosk (Tt = 42 °C) s mikrokrystalickým antibiotikem norfloxacin a kovalentně síťovatelné hydrogelové slupky z methakrylovaného alginátu vápenatého, ve které byly umístěny magnetické nanočástice oxidu železa. Při vystavení vnějšímu střídavému poli jsou nanočástice oxidu železa schopny indukčního ohřevu, což vede k roztavení vosku a umožní vyloučení norfloxacinu. S ohledem na schopnost indukčního ohřevu nanočástic je možné vylučovat antibiotikum pouze v žádoucích případech a zabránit tak jeho samovolnému unikání do okolí. Byla zkoumána kapacita jedné částice, možnost indukčního ohřevu v definované vzdálenosti od cívky a odolnost mikročástic proti podmínkám fyziologického prostředí.  

Uvádí se, že přibližně 40 % průmyslově vyráběných léčiv je špatně rozpustných, což významně snižuje jejich biologickou dostupnost. Jednou z nejnovějších formulačních strategií je příprava nanočástic těchto léků, tzv. nanokrystalů. Pokles velikosti částic zvyšuje poměr plochy povrchu k objemu, což zvyšuje rychlost rozpouštění molekul špatně rozpustných ve vodě a tím i jejich biologickou dostupnost. Jako jedna z možností přípravy nanočástic se nabízí antisolventní precipitace, metoda, při níž je roztok léčiva vpraven do antisolventního činidla, které zajišťuje výrazné lokální přesycení roztoku a vznik velkého množství nukleí. Nicméně, oproti běžně používanému vsádkovému uspořádání procesu,  v průtočného uspořádání je třeba brát v úvahu hydrodynamické podmínky, které silně ovlivňují vlastnosti výsledných nanokrystalů. Pro porozumění tomuto jevu a optimalizaci procesu je tedy nutné studovat charakter a kinetiku míchání v našem zařízení. Tato práce se proto zabývá studiem vlivu objemového průtoku a geometrie systému na průběh a dobu homogenizace v průtočném krystalizéru pomocí CFD simulací v ustáleném stavu. Výsledky této práce budou přímo uplatněny pro popis průběhu celého procesu pomocí již existujícího matematického modelu kontinuální krystalizace s neideálním mícháním. 

Automobily se spalovacími motory produkují škodlivé plynné i pevné emise, které mají negativní vliv na životní prostředí a lidské zdraví. Pro jejich odstraňování jsou často používány katalytické filtry pevných částic, které fungují jako katalytický konvertor i filtr pevných částic. Jsou tvořeny porézním nosičem s tenkou katalytickou vrstvou, která může být nanesena na stěně nebo ve stěně filtru. Filtr zachytává pevné částice a katalytická vrstva umožňuje oxidačně-redukční reakce zajišťující odstranění plynných škodlivin. Během provozu je filtr zanášen sazemi, jež mohou vytvářet transportní omezení pro kontakt plynu s katalytickou vrstvou, a zhoršit tak katalytickou aktivitu filtru. V této práci byl zkoumán vliv množství zachycených sazí na katalytickou konverzi při oxidaci CO. Nejprve byly vzorky zanášeny postupně v pěti fázích, po každém filtračním experimentu byla měřena katalytická aktivita filtru pro dvě prostorové rychlosti. Následně byl vzorek zregenerován a opět zanášen, tentokrát vkuse, poté byla znovu změřena jeho katalytická aktivita. Výsledky ukazují minimální vliv sazí na rozběhnutí katalytických reakcí a dosahovanou konverzi při nízkých průtocích plynu, ale rostoucí vliv při vyšších průtocích, což potvrzuje hypotézu o transportním omezení.

Korózia je závažným problémom v mnohých priemyselných a experimentálnych systémoch, pričom podstatná časť prevádzkových nákladov je smerovaná k predchádzaniu jej vzniku. V koncepte fúznych elektrární sa uvažuje o prevádzke so zliatinou olovo-lítium, ktoré slúži pre produkciu trítia a tienenie. Korózia spôsobená touto zliatinou spočíva predovšetkým v rozpúšťaní materiálu potrubia. Mnohé materiály (napr. bežné nerezové ocele, alebo vysokoteplotné zliatiny rady INCONEL) sú vylúčené z dôvodu vysokej rozpustnosti svojich zložiek v prúdiacej tekutine. Pri poklese teploty v časti okruhu hrozí kryštalizácia rozpustených ,,koróznych produktov“ a postupné upchávanie potrubia. Predošlé experimenty ukazujú, že úbytok materiálu zo stien potrubia sa pohybuje okolo 100 – 200 µm ročne. V izotermickom systéme, akým je plánovaný okruh, by sa rýchlosť korózie mala postupne znižovať, keď sa koncentrácia koróznych produktov približuje k nasýteniu a s ňou klesá aj rýchlosť rozpúšťania. Cieľom tejto práce je kvantifikovať rýchlosť korózie v zariadení prostredníctvom matematického modelu obehového okruhu na základe znalostí rovnovážnych koncentrácií a rýchlosti prestupu hmoty pri prúdení v trubke.  

Při spalovacích procesech dochází k tvorbě nanočástic sazí, které jsou pro naše zdraví škodlivé. Abychom tyto částice odstranili a zároveň neblokovali odvod zplodin, nachází se ve výfukovém systému filtr pevných částic. Ten může být také doplněn o katalyzátor, který zajišťuje konverzi plynů. Návrh takového zařízení je složitý problém, jehož cílem je vysoká konverze a filtrační účinnost při udržení minimální tlakové ztráty a ceny. Ke studiu této problematiky se používají matematické modely předpovídající účinnost zařízení v závislosti na jeho konfiguraci a provozních podmínkách. Efektivní výpočty umožňuje 1D+1D model, který předpokládá 1D tok kanálkem a na něj kolmý 1D transport přes stěnu filtru. Mimo bilance hmotnosti, entalpie a hybnosti plynu je také třeba počítat filtrační účinnost pro pevné částice. Tato práce se věnuje implementaci modelu jednotkových kolektorů, který zjednodušeně popisuje porézní strukturu filtru. Na základě porovnání výsledků modelu s experimentálními daty jsou vybrány vhodné korelace a hodnoty modelových parametrů, které umožňují výpočet filtrační účinnosti v závislosti na porozitě filtru, průtoku a velikosti částic.  

V průběhu historie bylo lidstvo vystaveno mnoha těžkým zkouškám a mezi ty nejnáročnější se bezesporu řadí závažné choroby. Velká část z nich je způsobována bakteriemi, se kterými jsme se po objevu penicilinu, a tedy konceptu antibiotik, naučili bojovat. Ani mor či tuberkulóza již dnes při včasné léčbě obvykle nejsou životu nebezpečné, nebo snad ano? Běžná antibiotika se bohužel pro svou chemickou stálost akumulují v životním prostředí, a bakterie jsou tak schopny tvořit si vůči nim rezistenci. To je jedním z nejurgentnějších problémů moderní medicíny. Řešení lze hledat v rychle se rozvíjející oblasti proléčiv, což jsou farmaceuticky neaktivní prekurzory léčiv, k jejichž aktivaci dochází až působením příslušného enzymu v místě určení. Tím je umožněna léčba využívající látky, které pro jejich nestálost není možné formulovat do tablet či kapslí. Takovou látkou je například allicin, který svým silným baktericidním účinkem umožňuje česnekovým buňkám čelit bakteriálnímu napadení. Cílem tohoto projektu je proto s využitím 3D biotisku připravit strukturované filmy obsahující prekurzor allicinu – allin a enzym allinázu, ve kterých vnějším podnětem (vlhkost, teplota) dojde ke spuštění enzymatické reakce, a tedy řízenému uvolnění účinné látky na místě určení.

Hydrogelové částice vystavené fokusovaným paprskům světla umožňují vlivem mikroskopického smršťování gelu pohyb částice v prostoru. Slibné využití hydrogelových částic lze hledat v biomedicinských aplikacích, při transportu buněk, nebo léčiv do cílových míst. Výroba částic probíhá pomocí stop-flow litografie v mikrofluidních systémech, ve kterých se vytváří dvoufázový tok fotocitlivého roztoku gelu, kde jedna z fází je obohacena o zlaté nanočástice. Rozhraní mezi fázemi je po zastavení toku ozářeno krátkým pulzem UV záření skrze fotomasku, nesoucí tvar částic, čímž se gel vytvrdí. Tok roztoku se následně opět spustí, aby vzniklou částici odplavil z fokusovaného místa tak, aby se proces mohl opakovat. Tato práce je zaměřena na návrh a výrobu mikrofluidního čipu, na kterém bude možné ověřit chování gelových částic při změně vnějšího prostředí. Výrobním postupem je návrh fotomasky, opatřenou patřičným schématem, skrze kterou pomocí fotolitografie bude geometrie přenesena do razidla za použití negativního fotorezistu SU8. Výsledný mikrofluidní čip je pak vyhotoven pomocí měkké litografie z tohoto razidla za použití elastomeru PDMS.