Detail předmětu

Materials for biomedical applications

FEKT-MPA-MBAAk. rok: 2022/2023

Předmět se zabývá speciálními materiály pro použití v biomedicínské praxi. Součástí předmětu je kapitola, zabývající se materiály používanými v kardiologii, dále novými elektrochemickými zdroji proudu, používanými pro speciální přístroje, např. kardiostimulátory a defibrilátory. Dále je uveden vliv biologického prostředí na korozi a životnost použitých materiálů a je pojednána  kompatibilita tkáňových implantátů. Část přednášek je věnována polymerním materiálům z hlediska chemického, struktury a s tím souvisejících vlastností a dále využitím polymerních materiálů v biomedicíně, např. jako implantáty nebo léčiva s postupným uvolňováním aktivní látky nebo s cíleným uvolňováním léčiva (např. cílená cytostatika). Další oblastí polymerních materiálů jsou hydrogely pro kontaktní a nitrooční čočky a další aplikace. Další část předmětu je věnována měření  a vlivu vzdušných iontů  na zdraví člověka a významu speleoterapie. 

 

Jazyk výuky

angličtina

Počet kreditů

5

Garant předmětu

doc. Ing. Marie Sedlaříková, CSc.

Zajišťuje ústav

Ústav elektrotechnologie (UETE)

Nabízen zahraničním studentům

Všech fakult

Výsledky učení předmětu

Základní informace o elektrochemických zdrojích proudu ve vztahu k biomedicínské praxi, základy elektrochemických měření, vlastnosti polymerních a kovových materiálů pro implantáty, ionty ve vzdušné atmosféře, jejich měření a vliv, zobrazovací metody pomocí magnetické rezonance.

Prerekvizity

Jsou požadovány znalosti na úrovni bakalářského studia. 

Plánované vzdělávací činnosti a výukové metody

Metody vyučování zahrnují přednášky a laboratoře. Předmět využívá e-learning (Moodle). Student odevzdává 3 samostatné projekty

Způsob a kritéria hodnocení

Klasifikace laboratorních prací ( 3 pracovní úkoly ).............18p
Samostatná práce (3 témata)..................................................18b
Písemná část závěrečné zkoušky............................................54p
Prezentace zadaného tématu......................................…........10p 

Osnovy výuky

1. Akumulátory a baterie v lékařství
2. Elektrody pro neurostimulace
3. Lékové formy, cílená cytostatika, nanomateriály využívané pro cytostatiku.
4. Kovové a polymerní materiály a jejich využití v kardiologii.
5. Materiály pro kontaktní a nitrooční čočky, polymery v lékařství.
6. Vzdušné ionty, jejich měření, vliv na zdraví.
7. Kardiostimulátory, stenty, defibrilátory, transplantace srdce
8. Plyny v lékařství a potravinářském průmyslu
9. Minerální látky v lidském těle, vliv nadbytku, nedostatku. 

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.

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění a formy nahrazování zameškané výuky

Vymezení kontrolované výuky a způsob jejího provádění stanoví každoročně aktualizovaná vyhláška garanta předmětu.

Základní literatura

Pistoia, G.: Lithium Batteries, New Materials, Developments and Perspective, Elsevier Science B.V., Amsterodam, 1994 (EN)
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)

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)

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz

Zařazení předmětu ve studijních plánech

  • Program MPAD-BIO magisterský navazující 2 ročník, letní semestr, povinně volitelný
  • Program MPC-EVM magisterský navazující 1 ročník, letní semestr, povinně volitelný

Typ (způsob) výuky

 

Přednáška

26 hod., nepovinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Marie Sedlaříková, CSc.
Ing. Miroslav Zatloukal
doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D.
doc. Ing. Tomáš Kazda, Ph.D.

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.

Laboratorní cvičení

26 hod., povinná

Vyučující / Lektor

doc. Ing. Petr Vyroubal, Ph.D.
Ing. Miroslav Zatloukal
doc. Ing. Tomáš Kazda, Ph.D.
doc. Ing. Marie Sedlaříková, CSc.

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

Elearning

eLearning: aktuální otevřený kurz