Vítězné práce Ceny Wernera von Siemense v kategorii Nejlepší diplomová práce a Nejlepší disertační práce se zabývaly materiály a jejich úpravami.
První místo v kategorii Nejlepší diplomová práce získala Ing. Senta Müllerová z Fakulty textilní Technické univerzity v Liberci za práci s názvem Inkorporace antibiotik do biodegradabilních nanovlákenných vrstev pro nové medicínské aplikace, první místo v kategorii Nejlepší disertační práce získal Ing. Petr Hauschwitz, Ph.D., z Fakulty jaderné a fyzikálně inženýrské Českého vysokého učení technického v Praze za práci s názvem Velkoplošná funkcionalizace povrchů pomocí laserem vytvořených mikro- a nanostruktur.
Platí, že medicínský pokrok klade stále nové a vyšší požadavky na zdravotnické přístroje, nástroje, pomůcky a farmaceutické přípravky. Tyto vysoké nároky se mimo jiné týkají i procesu hojení a předcházení život ohrožujícím pooperačním komplikacím.
Materiálové výzkumy, které probíhají v oblasti tkáňového inženýrství a regenerativní medicíny, v poslední době zaměřují svoji pozornost na nanovlákenné materiály. Ty mají mnoho unikátních vlastností, jako je například velký měrný povrch či struktura podobná nativní mezibuněčné hmotě. Avšak samotná nanovlákna i přes jejich výjimečné vlastnosti přestávají stačit. Zvýšit jejich efektivitu lze například pomocí různých povrchových modifikací či inkorporací aktivních látek do nanovláken.
Proti pooperačním komplikacím
Právě tímto směrem se v rámci své diplomové práce vydala Senta Müllerová. Vyvinula a otestovala nanovlákenný materiál s inkorporovaným antibiotikem, který by mohl být slibným řešením nebezpečných pooperačních komplikací v gastrointestinální chirurgii spojených s výskytem bakterií. Gastrointestinální chirurgické operace se provádějí již přes 200 let, a přesto doposud neexistuje žádný komerční výrobek, který by dokázal těmto nebezpečným pooperačním komplikacím účinně předcházet. To byla také jedna z hlavních motivací, proč si autorka toto téma vybrala.
Pooperační komplikací může být například únik obsahu střev přes střevní spoj, který může být způsoben bakteriemi, jež se v tomto místě nacházejí a degradují hojící se a nově vznikající tkáň. Nový materiál však dokáže těmto komplikacím předejít díky inkorporovanému antibiotiku – působí antibakteriálně a zároveň není pro buňky toxický. Jeho předností je i to, že se v lidském těle sám rozloží a není tak nutná reoperace a jeho vyjmutí.
Kdy se nový materiál stane běžnou pomůckou lékařů, zatím není jasné, autorka však bez ohledu na to pokračuje společně s vedoucí své práce Ing. Markétou Klíčovou v dalším výzkumu a vývoji. „Zkoušíme inkorporovat jiná antibiotika do nanovlákenných materiálů a následně budeme porovnávat tyto vyrobené materiály s materiály z mojí diplomové práce. Plánujeme také in vivo testy neboli testy na živém organismu, konkrétně na prasatech. Materiály musejí být takto otestovány, aby byly potvrzeny naše výsledky a aby byla potvrzena biokompatibilita vyrobených nanovlákenných materiálů,“ vysvětluje své další plány Senta Müllerová. Takto získaná data by následně měla pomoci urychlit přechod ke klinické studii na lidských pacientech.
Nové možnosti tvorby funkčních povrchů
V posledních letech se v odborných kruzích velmi mnoho pozornosti věnuje zkvalitnění výroby tzv. funkčních povrchů. Tato výroba totiž umožňuje výrazně pozměňovat povrchové vlastnosti široké škály materiálů. Docílit tak lze například superhydrofobních, antibakteriálních, ledofobních, samočisticích či antikorozních vlastností nebo snížení tření. Povrchy těchto materiálů jsou často po vzoru přírody tvořeny kombinací mikro- a nanostruktur.
Ale jak takovýchto struktur dosáhnout co nejefektivněji? Inovativním vícesvazkovým laserovým mikroobráběním. Klasickým jednosvazkovým laserem je totiž možné v řádu minut obrobit pouze zhruba jeden čtvereční centimetr. To samozřejmě omezuje jeho průmyslové využití tam, kde je třeba obrábět velké plochy. Petru Hauschwitzovi se podařilo vymyslet a uvést do praxe způsob, jak za pomoci laseru vyrábět velkoplošné periodické mikro- a nanostruktury rychle, přesně a ekonomicky. Nová technologie laserového mikroobrábění totiž využívá vícesvazkovou optiku, tedy speciální optiku pro dělení laserového svazku, která umožňuje paralelizaci obráběcích postupů, což ve výsledku znamená výrazné zrychlení výroby.
Důležité je zmínit také to, že skloubení postupů a technik použitých či vyvinutých v rámci této práce umožnilo v loňském roce vytvořit dva pozoruhodné světové rekordy – v rychlosti nanostrukturování a v počtu laserových svazků současně obrábějících materiál. „Díky kombinaci unikátního laserového systému PERLA, vyvinutého v HiLASE, s novým prototypem difrakčního optického elementu, jejž vyvinula izraelská hi-tech firma HOLO/OR, bylo demonstrováno paralelní nanoobrábění využívající více než 40.000 laserových svazků, s produktivitou nanostrukturování přes 1900 cm2/min. Díky tomu se stává průmyslová adaptace laserového nanostrukturování ve větším měřítku reálně použitelnou inovativní metodou pro rychlou a ekonomickou výrobu například superhydrofobních povrchů,“ popisuje Hauschwitzův zásadní přínos jeho školitel Ing. Tomáš Mocek, Ph.D., z Fyzikálního ústavu AV ČR a Centra HiLASE.
Obrovský potenciál
A kde všude tedy tento nový způsob povrchových úprav materiálů nalezne – nebo vlastně již nachází – praktické uplatnění? „Namátkově mohu zmínit například tvorbu antibakteriálních povrchů v medicíně, povrchů pro růst buněk na tělních implantátech, povrchů snižujících tření u obráběcích nástrojů, samočisticích povrchů nebo antireflexních povrchů. V řadě případů se výsledky mé práce v praxi objevují již nyní nebo k tomu mají velmi blízko – například při tvorbě funkčních povrchů zlepšujících tření a efektivnost využití mazadel v jedné německé ocelárně nebo při výrobě nových typů baterií,“ vypočítává Petr Hauschwitz. Úspěšně se rozvíjí i spolupráce s českou firmou Meopta nebo s již zmíněnou izraelskou společností HOLO/OR.
Právě ohromný potenciál funkčních povrchů v podstatě ve všech oblastech lidského života byl tím, co jej na tomto tématu zaujalo a proč se jím začal zabývat už před doktorským studiem. „Zároveň byl jasně viditelný hlavní nedostatek – rychlost a efektivita produkce takových povrchů. Přesně tím se moje práce zabývá. Vedle toho mě samozřejmě naplňuje a baví – nejvíce pak právě to, že řeší reálné problémy a že tato řešení mohou být brzy aplikována v praxi,“ vysvětluje Petr Hauschwitz.
