Generace ozónu a dalších aktivních částic pro medicínské aplikace
prof. Ing. Stanislav Pekárek, Csc.
Přesné biologické mechanizmy rozpoznávání a vyřezávání intronů nejsou zatím plně známy. Strojové rozpoznávání a vyřezávání intronů z DNA sekvencí je důležité například při hledání genových homologií. V rámci práce vznikly dva modely neuronových sítí detekující začátky a konce intronů, takzvaná donorová a akceptorová místa sestřihu. Detekovaná místa sestřihu jsou následně zkombinována do kandidátních intronů a ty jsou vyříznuty.
Nanomateriály pro boj proti bakteriální rezistenci vůči antibiotikům
Antimikrobiální rezistence (AMR) se stává jednou z největších výzev pro zdravotní péči 21. století. Když jsou bakteriální kmeny opakovaně vystavovány působení antibiotik, přeživší bakterie si postupně vyvíjejí obranný mechanismus, který pak ztěžuje jejich inaktivaci. Je proto potřeba zkoumat nové způsoby, jak omezit šíření a zajistit účinnou léčbu bakteriálních infekcí. Bylo například zjištěno, že anorganické nanočástice mají slibné antibakteriální účinky a dokonce u již rezistentních bakterií znovu zvyšují citlivost na antibiotika. S využitím našeho moderního automatizovaného vybavení se studenti v rámci práce mohou zapojit do experimentálního výzkumu antibakteriálních účinků různých typů nanočástic (nanodiamanty, grafen, oxidy zinečnatý) včetně vlivu proteinové korony kolem nanočástic na nepatogenní gram-pozitivní a gram-negativní bakterie (Staphylococus Aureus a Escherichia coli). Inaktivační účinky mohou porovnat s konvenčními antibiotiky. Studenti mohou také zkoumat vliv osvětlení (včetně slunečního simulátoru) a působení plazmatických výbojů na aktivaci antibakteriálních účinků v kultivačních médiích.
Studium interakce molekul s nanodiamanty
prof. RNDr. Bohuslav Rezek, PhD.
Diamant jako polovodičový materiál se v posledních letech intenzivně zkoumá z hlediska nových jevů pro použití v elektronice, fotovoltaických zařízeních i bio-senzorech. Chemická modifikace a interakce diamantového povrchu s molekulami je pro mnoho z těchto aplikací zásadní. Pozorovali jsme například, že diamantové nanočástice (nanodiamanty) mohou například ovliňovat vytváření proteinové korony, biosenzorickou reakci nebo disociaci světlem buzených excitonů. Studenti se v této práci mohou zapojit do experimentální přípravy a charakterizace nanodiamantů v kombinaci s různými typy organických molekul (chromofory, polymery, proteiny, léky). Studenti se moho věnovat přípravě koloidních roztoků nanodiamantů a měření optické a elektronové spektroskopii, elektronové mikroskopie, mikroskopie atomárních sil, dynamického rozptylu světla a zeta potenciálu. Studenti se také mohou věnovat výpočtům atomární struktury, adheze, elektronických vlastností a přenosu náboje v těchto komplexech.
Návrh a charakterizace fotonických chemických senzorů
Diamant se zabudovanými funkčními barevnými a spinovými centry (vytvářenými atomy Si, N, Ni, Ge, atd.) představuje intenzivně studovaný materiál pro aplikace v opto-elektronice, kvantové komunikaci i biomedicíně díky jedinečným optickým vlastnostem diamantu a těchto center. Pro řadu těchto aplikací je podstatné definování vlastností a přesného prostorového umístění opticky aktivních struktur a manipulace s šířením světla. Studenti se v této práci zapojit do výpočetního designu i praktické výroby takových fotonických struktur na mikroskopické úrovni. Jejich optické a fotonické vlastnosti budou charakterizovány optickou spektroskopií včetně použití konfokální mikroskopie a mikroskopie v blízkém poli. Práce se také může zaměřit na studium vlivu povrchové chemické modifikace (od atomárních skupin po organické molekuly) na optické vlastnosti s ohledem na možné senzorické aplikace. Práce budou probíhat ve Fyzikálním ústavu AV ČR ve spolupráci s Fakultou elektrotechnickou ČVUT.
Plazmatická funkcionalizace nanočástic
Struktura a chemické složení povrchu nanočásti mý významný vliv na jejich interakci s biologickým prostředím včetně pronikání skrze buněčné membrány. Studenti mohou v této práci zkoumat funkcionalizaci povrchu nanočástic z různých materiálů v plazmatu buzeném radiofrekvenčním výbojem (13,56 MHz) ve zředěných plynech (Ar, H2, O2, NH3, N2) při různé teplotě. Následně se z práškových vzorků budou lisovat peletky o průměru 3 mm pro spektroskopické analýzy. Výsledné vlastnosti budou analyzovány metodami optické spektroskopie. Měření vibračního spektra bude prováděno v infračerveném spektrometru Nicolet FTIR iS50 vybaveném příslušenstvím pro IRRAS (infračervená absorbce při odrazu), ATR (metoda totálního odrazu) a infračervenou Ramanovu spektroskopii. Fotoluminiscenční spektrum bude měřeno ve spektrálním rozsahu 350-1500 nm pomocí spektrometru vybaveného LED nebo laserovými excitačními zdroji a kryostatem 3 K. Práce budou probíhat ve Fyzikálním ústavu AV ČR ve spolupráci s Fakultou elektrotechnickou ČVUT.
Elektrický náboj nanočástic
prof. RNDr. Bohuslav Rezek, PhD.
Elektrický náboj nanočástic hraje důležitou roli při jejich aplikacích v opto-elektronice, fotovoltaice i biomedicíně a bio-senzorech. Náboj závisí na vlastnostech materiálu, povrchu, okolního prostředí a osvětlení nanočástic. Studenti mohou přispět k lepšímu pochopení těchto jevů a mechanismů vývojem experimentální metodiky a jejím využitím pro časově rozlišenou charakterizací lokálního elektrického potenciálu nanočástic (diamant, křemík, stříbro, zlato, zinkoxid, atd.) a nanočásticových kompozitů s polymery a dalšími materiály. Budou sledovány faktory jako je distribuce velikosti, tloušťka vrstvy, přítomnost nečistot (doping, barevná centra), plasmonické jevy, atd. Budou využity různé režimy mikroskopie skenovací sondy (AFM/KPFM, SKP/APS), osvětlení laditelným laserem nebo solárním simulátorem a korelace se skenovací elektronovou mikroskopií a optickou spektroskopií (Raman, infračervený, fotoluminiscenční, DLS/zeta).
Elektronické biosenzory z nanokrystalického diamantu
prof. RNDr. Bohuslav Rezek, PhD.
Diamant jako polovodičový materiál se v posledních letech intenzivně zkoumá z hlediska nových fyzikálních a chemických jevů pro různé aplikace. Studenti budou zapojeni do přípravy nanokrystalických diamantových tenké vrstev s různých morfologií (drsnost, struktura, pórovitost) a jejich kombinace s dalšími materiály (křemík, zlato, grafén atd.). Budou se zabývat měřením vlivu materiálového složení, mikrostruktury a povrchových chemických modifikací těchto materiálů na elektronově-transportní a plasmonické vlastnosti. Cílem je prozkoumat využití těchto materiálů pro nové, vysoce citlivé a specifické chemické senzory a biosenzory. Budou proto studovány také strukturální a elektronické interakce s molekulami různých látek. Při této práci budou studenti moci vyzkoušet a a využít plazmatické procesy pro modifikaci povrchů, různé techniky mikroskopie skenovací sondou (AFM/KPFM/CAFM), infračervenou a Ramanovu spektroskopii, impedanční spektroskopii a další elektronická měření. Materiálové interakce a odezvu senzoru je v rámci této práce také možné modelovat teoreticky pomocí softwarových nástrojů (Matlab, Comsol, QuantumATK).
Plazmatická depozice uhlíkových nanomateriálů pro medicínu
Uhlíkové materiály jsou perspektivní pro řadu aplikací v medicíně, od tkáňového inženýrství a cílené podávání léčiv po elektrody v mozku léčící Parkinsonovu chorobu. Depozice z chemických par (CVD) umožňuje přípravu různých allotropních forem uhlíku (diamant, uhlíkové nanotrubice, grafén, atd.). Pokrok v plazmatických CVD technologiích pro růst diamantu umožnil přejít od základního výzkumu k průmyslovým aplikacím. Studenti budou v této práci využívat inovovaný plazmatický CVD systém s mikrovlnnou technologií pro přípravu různých kompozitních vrstev během automatizovaného depozičního procesu. Proces umožňuje naladit hybridizaci atomů uhlíku, aktivovat funkční příměsi dalších aotmů, definovat povrchovou morfologii a krystalovou strukturu rostoucích materiálů. Diamantové vrstvy se pěstují při nízkých teplotách (300 °C) přidáním CO2 do plynné směsi CH4 a H2. Může být také studována kombinace s radiofrekvenční plazmou pro rozšíření procesu o růst uhlíkových nanotrubiček a grafenu. Práce budou probíhat v rámci spolupráci mezi Fyzikálním ústavem AV ČR a Fakultou elektrotechnickou ČVUT.
Neinvazivní měření hemodynamických parametrů kardiovaskulárního systému
Snímání pokročilých hemodynamických parametrů neinvazivními metodami patří mezi rychle se rozvíjející oblast medicíny. Oproti tradičním invazivním katetrizačních měřením lze rychlá a nebolestivá vyšetření provádět plošně u rizikových skupin populace (tzv. screening) a umožnit tak vyšší záchyt rizika kardiovaskulárních chorob už v počátečních fázích. Pro tento účel je velmi užitečná podrobná analýza tlakové křivky se zaměřením na odvození průtokových parametrů krevního řečiště, jako je např. srdeční výdej, a určení parametrů odrážejících stav centrální cévního řečiště (tj. srdce a aorty) – např. rychlost šíření pulzní vlny, index zesílení, centrální aortální tlak, apod. Studenti budou zapojeni do vývoje nových postupů měření a analýzy signálu pro určování těchto parametrů při suprasystolickém tlaku, s využitím okluzivní metody a snímání tlakových pulzací manžetou. Bude probíhat návrh metodiky, následná realizace měření, analýzy včetně porovnání s referenční metodou měření srdečního výdeje.
Návrh systému pro plošnou aplikaci reboxových proudů
Terapie reboxovými proudy je známá již od 80. let 20. století, kdy byla představena a patentována Ing. Slovákem z katedry fyziky FEL ČVUT v Praze. Rebox využívá aplikaci specifických stejnosměrných elektrických pulzů. Tyto pulzy jsou v léčené oblasti aplikovány neinvazivně přes kůži. Díky elektrochemickým změnám v tkáňovém mikroprostředí dochází během několika sekund v léčené oblasti ke korekci lokální acidózy, zvýší se mikrocirkulace krve a lymfy a je patrný myorelaxační efekt. Přístroje využívající tento typ proudů se v současnosti hojně využívají v rehabilitaci pohybového aparátu. Studenti budou zapojeni do návrhu, vývoje a ověření metodiku aplikace reboxových proudů pomocí multikanálové elektrody, která by zajistila automatickou plošnou aplikaci reboxových proudů podle typu poškození tkáně. Půjde zejména o vytvoření speciálních aplikátorů reboxových proudů s multiplexovaným výstupem a navržení stimulačních algoritmů pro nejčastěji se vyskytující diagnózy (např. epikondylitida, lumbalgie atd.).
Výzkum a vývoj kovových implantátů
Kovové implantáty jsou nedílnou součástí moderní medicíny. Předmětem práce budou titanové dentální implantáty nebo hořčíkové dráty, které se v lidském těle plně rozpustí. Aby bylo možné vyvinout nový implantát efektivně, je třeba mít povědomí o široké škále oborů, jako jsou například fyzikální metalurgie, tváření kovů, únava materiálu, koroze v simulovaných tělních roztocích a in-vivo testy. V rámci osobní konzultace bude studentům na míru připraveno téma, které bude reflektovat jejich preference. Předpokládá se využití široké škály charakterizačních technik dostupných na Fakultě jaderné a fyzikálně inženýrské ČVUT, Fakultě elektrotechnické ČVUT, Fyzikálním ústavu AV ČR, Ústavu struktury a mechaniky hornin AV ČR a dalšími spolupracujícími pracovišti.
Nanoindentace pro určování vlastností moderních materiálů pro bioaplikace
Nanoindentace je metoda určování mechanických vlastností materiálů založená na vnikání diamantového hrotu do zkoušeného materiálu, která umožňuje jejich studium ve velmi malém objemu (od desítek nanometrů). V současnosti se nejčastěji používá pro charakterizaci tenkých ochranných vrstev či jednotlivých fází materiálů. Spojením s dalšími charakterizačními technikami (např. elektronová mikroskopie, mikroskopie atomárních sil) tvoří nanoindentace nenahraditelný nástroj při studiu moderních materiálů, mezi které patří například slitiny s vysokou entropií, intermetalika, či materiály vhodné pro energetiku, vesmírný program a bioaplikace. Velmi perspektivním novým materiálem pro výrobu implantátů je vysokoentropická slitina HfNbTiTaZr, která je tvořena biokompatibilními prvky a mohla by nahradit dnes používané slitiny na bázi titanu. Její vlastnosti ve formě objemových vzorků a tenkých vrstev se proto dále intenzivně zkoumají a zdokonalují. V rámci osobní konzultace bude studentům na míru připraveno téma, které bude reflektovat jejich preference.
