Detail předmětu
Materiály pro biomedicinské aplikace
FEKT-MMBAAk. rok: 2018/2019
Předmět se zabývá materiály včetně nanostrukturovaných a speciálními technologiemi jejich přípravy pro použití v biomedicínské praxi. Dále vlivem biologického prostředí na korozi a životnost použitých materiálů a je pojednána kompatibilita tkáňových implantátů. Metrologie nanostruktur – mikroskopie, rentgen, hmotnostní spektrometrie sekundárních ióntů. Součástí předmětu je kapitola, zabývající se novými elektrochemickými zdroji, používanými pro speciální přístroje a zařízení v medicíně, např.kardiostimulátory a defibrilátory. Významná je část pojednávající o principu a využití NMR pro diagnostické a analytické účely. Další část předmětu je věnována vlastnostem a využitím makromolekulárních látek v lékařství, např. v léčivech, polymerních implantátech a očních čočkách.
Jazyk výuky
čeština
Počet kreditů
5
Garant předmětu
Zajišťuje ústav
Výsledky učení předmětu
Absolvent předmětu je schopen:
kvalifikovaně posoudit využití materiálů v biomedicínské praxi
popsat onemocnění srdce a cévního systému a popsat možnosti léčby
popsat vlastnosti makromolekulárních látek, keramik a kovů vhodných pro implantáty
má přehled o současném stavu ve vývoji materiálů pro kontaktní a nitrooční čočky
má základní znalosti o použití elektrochemických zdrojů proudu pro laboratorní zařízení, kardiostimulátory ( defibrilátory)
má přehled o trendech v oblasti přípravy a využití bionanomateriálů v lékařství, např. pro léčení karcinogenních chorob
dovede se orientovat v principu a využití nukleární magnetické rezonanční spektroskopie ( NMR), a NMR kompatibilitě tkáňových implantátů
kvalifikovaně posoudit využití materiálů v biomedicínské praxi
popsat onemocnění srdce a cévního systému a popsat možnosti léčby
popsat vlastnosti makromolekulárních látek, keramik a kovů vhodných pro implantáty
má přehled o současném stavu ve vývoji materiálů pro kontaktní a nitrooční čočky
má základní znalosti o použití elektrochemických zdrojů proudu pro laboratorní zařízení, kardiostimulátory ( defibrilátory)
má přehled o trendech v oblasti přípravy a využití bionanomateriálů v lékařství, např. pro léčení karcinogenních chorob
dovede se orientovat v principu a využití nukleární magnetické rezonanční spektroskopie ( NMR), a NMR kompatibilitě tkáňových implantátů
Prerekvizity
Student, který si zapíše tento předmět by měl být schopen:
- orientovat se v základních medicínských pojmech
- mít základní přehled o biochemických pochodech v živých organismech
- měl by být schopen vysvětlení základních funkcí elektrických obvodů využívaných v biomedicíně
- měl by být schopen na základě návodů pracovat s chemikáliemi
- orientovat se v základních medicínských pojmech
- mít základní přehled o biochemických pochodech v živých organismech
- měl by být schopen vysvětlení základních funkcí elektrických obvodů využívaných v biomedicíně
- měl by být schopen na základě návodů pracovat s chemikáliemi
Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody
Metody vyučování zahrnují přednášky, laboratoře a exkurze. Předmět využívá e-learning (Moodle). Student odevzdává jeden samostatný projekt.
Způsob a kritéria hodnocení
Hodnocení laboratoří ( 6 úloh po 5 bodech).....................30b
Písemná část závěrečné zkoušky.........................................60b
Zpracování a prezentace zadaného tematu.......................10b
Písemná část závěrečné zkoušky.........................................60b
Zpracování a prezentace zadaného tematu.......................10b
Osnovy výuky
1. Vliv stavby atomů a struktury na vlastnosti materiálů
2. Kovové materiály a jejich použití v biomedicíně
3. Koroze a kompatibilita materiálů v živých organismech
4. Polymery a jejich využití v lékařství, implantáty, nitrooční a kontaktní čočky
5. Lékové formy, cílená cytostatika
6. Vliv iontů různých prvků na složení a vlastnosti tkáňových tekutin, vliv na zdraví
7. Chemické zdroje elektrické energie a jejich využití v lékařství
8 . Využití modelování a 3D tisk v medicíně
2. Kovové materiály a jejich použití v biomedicíně
3. Koroze a kompatibilita materiálů v živých organismech
4. Polymery a jejich využití v lékařství, implantáty, nitrooční a kontaktní čočky
5. Lékové formy, cílená cytostatika
6. Vliv iontů různých prvků na složení a vlastnosti tkáňových tekutin, vliv na zdraví
7. Chemické zdroje elektrické energie a jejich využití v lékařství
8 . Využití modelování a 3D tisk v medicíně
Učební cíle
Navrhovaný projekt bude připravovat studenty magisterského studia FEKT na řešení technických, ekonomických a ekologických problémů, spojených s volbou , užíváním a zkoušením různých materiálů a zařízení v biomedicínských apikacích.
Jsou to především čidla a speciální elektrody pro využití v různých oborech medicíny. Součástí projektu bude studium a rozvoj nových elektrochemických zdrojů, používaných pro speciální přístroje a zařízení v medicíně, např.kardiostimulátory. Bude řešen vliv biologického prostředí na korozi a životnost použitých materiálů, pojednána bude kompatibilita tkáňových implantátů. Součástí projektu budou přednášky o vlivu iontů na stav lidského organismu. Předmět je vhodný i pro mezioborová studia v oblasti lékařství a biologie.
V rámci projektu jsou připravena laboratorní cvičení z oblasti koroze kovových materiálů, elektroanalytických čidel vhodných pro rozbor biologických materiálů a měření vybíjecí charakteristiky malých zdrojů proudu.
Jsou to především čidla a speciální elektrody pro využití v různých oborech medicíny. Součástí projektu bude studium a rozvoj nových elektrochemických zdrojů, používaných pro speciální přístroje a zařízení v medicíně, např.kardiostimulátory. Bude řešen vliv biologického prostředí na korozi a životnost použitých materiálů, pojednána bude kompatibilita tkáňových implantátů. Součástí projektu budou přednášky o vlivu iontů na stav lidského organismu. Předmět je vhodný i pro mezioborová studia v oblasti lékařství a biologie.
V rámci projektu jsou připravena laboratorní cvičení z oblasti koroze kovových materiálů, elektroanalytických čidel vhodných pro rozbor biologických materiálů a měření vybíjecí charakteristiky malých zdrojů proudu.
Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky
Povinná jsou laboratorní cvičení. Řádně omluvené zmeškané laboratorní cvičení lze po domluvě s vyučujícím nahradit.
Základní literatura
Navrátil,L. a kol: Medicínská biofyzika, GRADA 2005, Praha (CS)
Sedlaříková,M. a kol. Materiály pro biomedicínu, elektronická skripta (CS)
Valečko,Z: Bioelektronika, BEN Technická literatura, Praha 2005 (CS)
VONDRÁK, J., SEDLAŘÍKOVÁ, M., REITER, J., NOVÁK, V., NEČESAL, P. Carbon and/ or graphite anodes for gel polymer batteries. In International Meeting on Lithium Batteries. Nara, Japonsko: The Electrochemical Society, Inc., 2004. s. 234 ( s.)ISBN: 1-56677-415- 2. (CS)
Vondrák, J., Sedlaříková,M.,Elektrochemická měření, elektronická verze (CS)
Žabka,M. a kol.:Moderní lékové formy ve farmaceutické technologii, Bratislava 2001 (CS)
Sedlaříková,M. a kol. Materiály pro biomedicínu, elektronická skripta (CS)
Valečko,Z: Bioelektronika, BEN Technická literatura, Praha 2005 (CS)
VONDRÁK, J., SEDLAŘÍKOVÁ, M., REITER, J., NOVÁK, V., NEČESAL, P. Carbon and/ or graphite anodes for gel polymer batteries. In International Meeting on Lithium Batteries. Nara, Japonsko: The Electrochemical Society, Inc., 2004. s. 234 ( s.)ISBN: 1-56677-415- 2. (CS)
Vondrák, J., Sedlaříková,M.,Elektrochemická měření, elektronická verze (CS)
Žabka,M. a kol.:Moderní lékové formy ve farmaceutické technologii, Bratislava 2001 (CS)
Doporučená literatura
Bednář B. a kol.:Nové materiály, VŠCHT, Praha 1991 (CS)
Liu,B. In vitro investigation of Fe30Mn6Si shape memory alloy as potential biodegradable metallic material, Material Letters 65 (2011) 540-543 (EN)
Pistoia, G.: Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspective, Elsevier Science B.V., Amsterodam, 1994 (EN)
Liu,B. In vitro investigation of Fe30Mn6Si shape memory alloy as potential biodegradable metallic material, Material Letters 65 (2011) 540-543 (EN)
Pistoia, G.: Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspective, Elsevier Science B.V., Amsterodam, 1994 (EN)
Zařazení předmětu ve studijních plánech
Typ (způsob) výuky
Přednáška
26 hod., nepovinná
Vyučující / Lektor
Osnova
1. Základní fyzikální vlastnosti tkání a tělních tekutin.
Složení tělních tekutin. Kyselost, obsah kyslíku a další pro korozi důležité vlastnosti.
Osmotický tlak.Vodivost roztoků solí.
2. Koroze a kompatibilita materiálů v živých organismech
Vysvětlení základních pojmů týkajících se procesů na rozhraní kov – roztok.
Podstata a průběh elektrochemické koroze kovů.Elektrodový potenciál jakožto řídicí faktor.
Problémy kovových a nekovových implantátů. Vliv kovových iontů na živé tkáně
3. Elektrody jako čidla složení tkání
Pojem pH, pO2 a další podobné veličiny. Jejich vztah k Nernstově rovnici.
Elektrochemické měřiče koncentrace na principu potenciometre.Moderní, mikropočítačem řízené pH metry a ionometry.Iontově selektivní elektrody. Meze jejich citlivosti.
Elektrochemická čidla in vivo a in vitro
4. a 5 . Chemické zdroje pro laboratorní zařízení a implantáty
Akumulátory, jejich údržba a vlastnosti. Primární zdroje klasické
požadavky na implantované zdroje : lithiové články, články s
vnějším nabíjením.
6.a7 Materiály pro biologické prostředí.
Materiály pro implantáty. Keramické, polymerní a kovové materiály. Požadavky na implantované materiály: životnost, nízká koroze, netečnost vůči tkáním a fyziologickým tekutinám. Potřeba dlouhodobých životnostních zkoušek.
Materiály pro implantáty. Keramické a kovové materiály.
8. Vliv kladných a záporných iontů na lidský organismus
Měření koncentrace a parametrů kladných a záporných iontů a nabitých částic různé pohyblivosti.Vznik a zánik vzdušných iontů v atmosféře.
Základní parametry charakterizující iontové prostředí.
Vliv elektrických a magnetických polí na koncentraci iontů.
9. Parametry materiálů v pobytových prostorách a jejich vliv na velikost prostorového náboje.
Význam vhodného iontového klimatu pro zdraví.Charakteristika pobytových prostorů z hlediska zdravotního stavu člověka.Volba stavebních materiálů pro vyšší koncentaci iontů.
Vliv parametrů textilních materiálů použitých pro oděvy.
10. Vliv iontů různých prvků na složení a vlastnosti tkáňových tekutin
Speleoterapie.Vliv záporných iontů na obsah ionizovaného kyslíku v krvi a na psychický výkon a zdravotní stav člověka.Ovlivnění organismu balneoterapií.
Vývoj prosotru s vysokou iontovou koncentrací pro medicínské účely.
11. Základy NMR spektroskopie a tomografie a základní diagnostické možnosti (Důraz je kladen na pochopení principu magnetické resonance (MR), jako základu pro efektivní využití v různých aplikacích. Zvláštní pozornost je věnována diagnostickým možnostem MR tomografie pro medicínu i elektrotechnologii)
12. Základní diagnostické metody v MR tomografii a jejich využití
Parametry ovlivňující kontrast v MR obraze.
Měřicí metody pro získání MR obrazů váhovaných spinovou hustotou, relaxačními vlastnostmi látek, jejich magnetickou susceptibilitou, toky různých typů včetně difúze v měřených tkáních.
13. NMR kompatibilita tkáňových implantátů, magnetická susceptibilita materiálů
Techniky MR měření a zobrazení magnetické susceptibility tkání v lidském těle a využitím fázových obrazů získaných technikou FE.
Složení tělních tekutin. Kyselost, obsah kyslíku a další pro korozi důležité vlastnosti.
Osmotický tlak.Vodivost roztoků solí.
2. Koroze a kompatibilita materiálů v živých organismech
Vysvětlení základních pojmů týkajících se procesů na rozhraní kov – roztok.
Podstata a průběh elektrochemické koroze kovů.Elektrodový potenciál jakožto řídicí faktor.
Problémy kovových a nekovových implantátů. Vliv kovových iontů na živé tkáně
3. Elektrody jako čidla složení tkání
Pojem pH, pO2 a další podobné veličiny. Jejich vztah k Nernstově rovnici.
Elektrochemické měřiče koncentrace na principu potenciometre.Moderní, mikropočítačem řízené pH metry a ionometry.Iontově selektivní elektrody. Meze jejich citlivosti.
Elektrochemická čidla in vivo a in vitro
4. a 5 . Chemické zdroje pro laboratorní zařízení a implantáty
Akumulátory, jejich údržba a vlastnosti. Primární zdroje klasické
požadavky na implantované zdroje : lithiové články, články s
vnějším nabíjením.
6.a7 Materiály pro biologické prostředí.
Materiály pro implantáty. Keramické, polymerní a kovové materiály. Požadavky na implantované materiály: životnost, nízká koroze, netečnost vůči tkáním a fyziologickým tekutinám. Potřeba dlouhodobých životnostních zkoušek.
Materiály pro implantáty. Keramické a kovové materiály.
8. Vliv kladných a záporných iontů na lidský organismus
Měření koncentrace a parametrů kladných a záporných iontů a nabitých částic různé pohyblivosti.Vznik a zánik vzdušných iontů v atmosféře.
Základní parametry charakterizující iontové prostředí.
Vliv elektrických a magnetických polí na koncentraci iontů.
9. Parametry materiálů v pobytových prostorách a jejich vliv na velikost prostorového náboje.
Význam vhodného iontového klimatu pro zdraví.Charakteristika pobytových prostorů z hlediska zdravotního stavu člověka.Volba stavebních materiálů pro vyšší koncentaci iontů.
Vliv parametrů textilních materiálů použitých pro oděvy.
10. Vliv iontů různých prvků na složení a vlastnosti tkáňových tekutin
Speleoterapie.Vliv záporných iontů na obsah ionizovaného kyslíku v krvi a na psychický výkon a zdravotní stav člověka.Ovlivnění organismu balneoterapií.
Vývoj prosotru s vysokou iontovou koncentrací pro medicínské účely.
11. Základy NMR spektroskopie a tomografie a základní diagnostické možnosti (Důraz je kladen na pochopení principu magnetické resonance (MR), jako základu pro efektivní využití v různých aplikacích. Zvláštní pozornost je věnována diagnostickým možnostem MR tomografie pro medicínu i elektrotechnologii)
12. Základní diagnostické metody v MR tomografii a jejich využití
Parametry ovlivňující kontrast v MR obraze.
Měřicí metody pro získání MR obrazů váhovaných spinovou hustotou, relaxačními vlastnostmi látek, jejich magnetickou susceptibilitou, toky různých typů včetně difúze v měřených tkáních.
13. NMR kompatibilita tkáňových implantátů, magnetická susceptibilita materiálů
Techniky MR měření a zobrazení magnetické susceptibility tkání v lidském těle a využitím fázových obrazů získaných technikou FE.
Laboratorní cvičení
26 hod., povinná
Vyučující / Lektor
Osnova
Rozpis cvičení
1. Měření vodivostí elektrolytů jako diagnostická metoda
Princip: použití ponorné cely na měření vodivosti elektrolytů. Kalibrace této cely. Použití codicostního testu na posouzení čistoty přírodních vod a vody destilované.
Přístroje: RCL měřič, potenciostat AUTOLAB
Drobné potřeby: destilovaná voda, chlorid draselný, odměrné nádobí
Získané znalosti: Poznání principu, rozdíl mezi měření elektrotechnického rezistoru a elektrolytické cely, volba frekvence pro měření; vztah mezi čistotou vody a obsahem minerálů
2. Stanovení korozní odolnosti vybraných kovů
Princip: Výzkum koroze a korozní odolnosti v elektrochemickém prostředí
Metoda: počítačem řízenou voltametrií se určí oblast koroze, pasivace a rozpouštění vzorků kovu
Přístroje: potenciostat AUTOLAB
Drobné potřeby: kalomelová elektroda, Pt pomocná elektroda, elektrody Fe, Ni, Cu, Al, elektrochemická nádobka
Roztoky: zředěná kyselina chlorovodíková, pufr o pH=5 a pH=9
Získané znalosti: pochopení vztahu mezi pH roztoku, elektrochemickým potenciálem a korozní odolností; podstata pasivace kovů
3. Stanovení vápníku v roztocích pomocí iontově selektivní elektrody
Princip: Použití potenciometrické metody (využití Nernstovy rovnice) pro stanovení vápníku.
Přístroje: mikropočítačem řízený pH metr CRYTUR
Drobné potřeby: iontově selektivní elektroda CRYTUR pro stanovení vápníku, nádobka, laboratorní nádobí (především odměrné)
Roztoky: KCl s přídavky solí vápníku pro kalibraci, vzorky přírodních vod
Získané znalosti: Seznámení s metodou užívanou pro stanovení řady látek v přírodních a biologických vzorcích problémy s vysokým ředěním vzorků
4. Měření pH
Princip: Použití potenciometrické metody (využití Nernstovy rovnice) pro stanovení kyselosti.
Přístroje: mikropočítačem řízený pH metr CRYTUR
Drobné potřeby: skleněná elektroda CRYTUR, nádobka, laboratorní nádobí (především odměrné)
Roztoky: kalibrační pufrové roztoky, vzorky přírodních vod
Získané znalosti: Seznámení s pojmem pH, stanovením kyselisti či alkality, s pojmem pufrové roztoky a s indikátorovými papírky.
5. Měření koncentrace vzdušných iontů aspiračním kondenzátorem v různých prostředích
Měření bude prováděno metodou aspiračního kondenzátoru. Cílem bude měření přirozené koncentrace kladných i záporných iontů v laboraotrních podmínkách. Druhou částí bude určit koncentraci kladných i záporných iontů vytvářených ionizátorem.
6. Měření saturační charakteristiky a stanovení spektrální charakteristiky iontového pole
Metodou aspiračního kondenzátoru bude změřena saturační charakteristika v prostoru s přirozenou koncentrací a ionizací, vytvořenou hořícími svíčkami. Rozsah polarizečního napětí bude 10 – 500 V, což odpovídá měření lehkých a středně těžkých záporných iontů. Graficky bude určena spektrální charakteristika obou prostředí.
7. Základní nastavení tomografu (na ÚPT)
Seznámení s tomografem, jeho základním nastavením a provedení nastavení homogenity základního pole. Tato část je důležitá pro všechna MR měření sa výrazně ovlivňuje kvalitu snímaných obrazů.
8. MR obrazy biologických vzorků (na ÚPT)
Budou změřeny MR obrazy fantomů nebo biologických vzorků metodami FE a SE.
Současně budou studenti seznámeni s programy pro zpracování a vyhodnocování obrazu.
9.Vliv materiálů na MR zobrazení (na ÚPT)
Měření obrazu váhovaného magnetickou susceptibilitou měřeného vzorku a měření obrazu deformovaného materiálem pro zubní implantáty a stanovení magnetické susceptibility testovaného vz
1. Měření vodivostí elektrolytů jako diagnostická metoda
Princip: použití ponorné cely na měření vodivosti elektrolytů. Kalibrace této cely. Použití codicostního testu na posouzení čistoty přírodních vod a vody destilované.
Přístroje: RCL měřič, potenciostat AUTOLAB
Drobné potřeby: destilovaná voda, chlorid draselný, odměrné nádobí
Získané znalosti: Poznání principu, rozdíl mezi měření elektrotechnického rezistoru a elektrolytické cely, volba frekvence pro měření; vztah mezi čistotou vody a obsahem minerálů
2. Stanovení korozní odolnosti vybraných kovů
Princip: Výzkum koroze a korozní odolnosti v elektrochemickém prostředí
Metoda: počítačem řízenou voltametrií se určí oblast koroze, pasivace a rozpouštění vzorků kovu
Přístroje: potenciostat AUTOLAB
Drobné potřeby: kalomelová elektroda, Pt pomocná elektroda, elektrody Fe, Ni, Cu, Al, elektrochemická nádobka
Roztoky: zředěná kyselina chlorovodíková, pufr o pH=5 a pH=9
Získané znalosti: pochopení vztahu mezi pH roztoku, elektrochemickým potenciálem a korozní odolností; podstata pasivace kovů
3. Stanovení vápníku v roztocích pomocí iontově selektivní elektrody
Princip: Použití potenciometrické metody (využití Nernstovy rovnice) pro stanovení vápníku.
Přístroje: mikropočítačem řízený pH metr CRYTUR
Drobné potřeby: iontově selektivní elektroda CRYTUR pro stanovení vápníku, nádobka, laboratorní nádobí (především odměrné)
Roztoky: KCl s přídavky solí vápníku pro kalibraci, vzorky přírodních vod
Získané znalosti: Seznámení s metodou užívanou pro stanovení řady látek v přírodních a biologických vzorcích problémy s vysokým ředěním vzorků
4. Měření pH
Princip: Použití potenciometrické metody (využití Nernstovy rovnice) pro stanovení kyselosti.
Přístroje: mikropočítačem řízený pH metr CRYTUR
Drobné potřeby: skleněná elektroda CRYTUR, nádobka, laboratorní nádobí (především odměrné)
Roztoky: kalibrační pufrové roztoky, vzorky přírodních vod
Získané znalosti: Seznámení s pojmem pH, stanovením kyselisti či alkality, s pojmem pufrové roztoky a s indikátorovými papírky.
5. Měření koncentrace vzdušných iontů aspiračním kondenzátorem v různých prostředích
Měření bude prováděno metodou aspiračního kondenzátoru. Cílem bude měření přirozené koncentrace kladných i záporných iontů v laboraotrních podmínkách. Druhou částí bude určit koncentraci kladných i záporných iontů vytvářených ionizátorem.
6. Měření saturační charakteristiky a stanovení spektrální charakteristiky iontového pole
Metodou aspiračního kondenzátoru bude změřena saturační charakteristika v prostoru s přirozenou koncentrací a ionizací, vytvořenou hořícími svíčkami. Rozsah polarizečního napětí bude 10 – 500 V, což odpovídá měření lehkých a středně těžkých záporných iontů. Graficky bude určena spektrální charakteristika obou prostředí.
7. Základní nastavení tomografu (na ÚPT)
Seznámení s tomografem, jeho základním nastavením a provedení nastavení homogenity základního pole. Tato část je důležitá pro všechna MR měření sa výrazně ovlivňuje kvalitu snímaných obrazů.
8. MR obrazy biologických vzorků (na ÚPT)
Budou změřeny MR obrazy fantomů nebo biologických vzorků metodami FE a SE.
Současně budou studenti seznámeni s programy pro zpracování a vyhodnocování obrazu.
9.Vliv materiálů na MR zobrazení (na ÚPT)
Měření obrazu váhovaného magnetickou susceptibilitou měřeného vzorku a měření obrazu deformovaného materiálem pro zubní implantáty a stanovení magnetické susceptibility testovaného vz