Biomechanika

Lidé

Doktor Tomáš, Ing., Laboratoř biomechaniky
Fíla Tomáš, Ing., Laboratoř biomechaniky
Jiroušek Ondřej, prof. Ing., PhD, Biomechanika
Koudelka Petr, Ing., Laboratoř biomechaniky
Krčmářová Nela, Ing.
Kytýř Daniel, Ing., PhD., Laboratoř biomechaniky, vedoucí oddělení
Šleichrt Jan, Ing. Laboratoř biomechaniky
Zlámal Petr, Ing., Laboratoř biomechaniky, vedoucí laboratoře

Popis činnosti

Výzkum v oddělení a laboratoři biomechaniky je zaměřen na experimentální stanovení mechanických vlastností biologických tkání a uměle vytvořených biokompatibilních struktur využívaných v regenerativní medicíně, jakož i vývoj materiálových modelů tkání a jejich implementace v numerických simulacích. Jedním z hlavních cílů je aplikace inženýrských principů ve vývoji ortopedických implantátů, náhrad a tkáňových nosičů, včetně analýzy jejich interakce s okolní tkání. Další činnost je zaměřena na vývoj specializovaných experimentálních zařízení a programového vybavení umožňujícího detailní biomechanickou analýzu zkoumaných materiálů. Laboratoř také poskytuje zázemí pro návrh, zprovoznění a testování těchto zařízení.

Aktuality

V současné době jsou v Laboratoři biomechaniky prováděny práce související s řešením mezinárodních projektů Interreg ATCZ133 (Kompetenzzentrum MechanoBiologie in Regenerativer Medizin) a ATCZ38 (Competence Center for High-Resolution 3D X-ray Imaging). V rámci těchto projektů vzniká za podpory laboratoře kompaktní jednoosé zatěžovací zařízení vhodné pro experimenty využívajících radiografických metod. Vznikající zařízení obsahuje i komoru pro umístění vzorku, ve které je možné udržovat stabilní oběh kapaliny o zvolené teplotě a tímto simulovat při experimentu přirozené prostředí pro biologické vzorky. Druhým vznikajícím zařízením je zařízení pro optickou a mechanickou analýzu zkoumaných vzorků v jednotlivých řezech metodou postupného odbrušování (v řádu mikrometrických vrstev) a mikroindentace. Třetí unikátní zařízení, které je momentálně ve fázi předpilotního testování, je zatěžovací stroj pro čtyřbodový ohyb. Konstrukce zařízení umožňuje jeho použití v součinnosti s radiografickými technikami a je uzpůsobeno pro testování velkých vzorků (až 300 mm dlouhých).

ÚTAM zakládajícím členem Centra kompetence pro mechanobiologii a regenerativní medicínu

V rámci mezinárodní spolupráce podpořené přeshraničním projektem InterReg ATCZ133 v letech 2017-2019 se ÚTAM společně s partnerskými pracovišti Donau Universität Krems, Ludwig Boltzmann Gesellschaft Wien, Technische Universität Wien, Jihočeská univerzita v Českých Budějovicích a Fakultní nemocnice u sv. Anny v Brně podílí na vybudování centra kompetence v oblasti mechanobiologie (studia odezvy buněk a tkání na okolní prostředí) a regenerativní medicíny. V rámci centra budou partneři sdílet unikátní výzkumnou infrastrukturu a vybudují platformu pro komunikaci a transfer znalostí na základě informačního systému pro zálohování, sdílení a zpracovaní dat.

Intenzivní výzkum v oblasti pochopení mechanobiologických aspektů buněk a tkání má nejvyšší klinický a socioekonomický význam, protože tyto podněty jsou pro přirozené zachování kostí, chrupavek i svalů (včetně srdečního svalu) klíčové. Inovativní mechanobiologické přístupy jsou základem nových postupů v prevenci a regeneraci. Jedním z cílů výzkumu je využití samoléčivé síly těla při obnově dysfunkčních buněk a tkání, což jsou relativně levné metody snižující náklady na léčbu. Tyto přístupy umožňují nahradit drahé dlouhodobé farmakologické léčby nebo řadu následných chirurgických zákroků.

V projektu bude tým pracovníků Laboratoře biomechaniky a Laboratoře rentgenové tomografie rozvíjet experimentální metody studia chování tkání a jejich náhrad (viz obrázek), diagnostické metody a nástroje pro počítačové simulace těchto dějů.

obrázek: Zobrazení vnitřní mikrostruktury tkáňového nosiče s využitím mikrotomografie s vysokým rozlišením (vlevo).
Obálkový graf závislostí napětí na přetvoření tkáňových nosičů s různým podílem bioaktivních výztužných nanočástic (vpravo).

Výzkum a vybavení

V rámci běžících projektů jsou s použitím stávajícího vybavení laboratoře zkoumány především mechanické vlastnosti vytvořených umělých struktur tkáňových nosičů za pomocí mikromechanických zatěžovacích testů a radiografických metod. Na základě provedených experimentů jsou aplikovány výpočetní metody (MKP modelování, techniky digitální korelace objemu atd.) pro stanovení mechanických vlastností zkoumaných struktur.

vybavení (současné):
- jednoosé zatěžovací zařízení použitelné pro radiografická měření do 10 kN (vlastní konstrukce)
- jednoosé zatěžovací zařízení použitelné pro radiografická měření do 0.5 kN (vlastní konstrukce)
- přesný tříosý laboratorní stolek (vlastní konstrukce)
- CCD kamera s telecentrickým objektivem
- modulární jednotka pro řízení experimentálních zařízení (vlastní konstrukce)
- zatěžovací stolice Instron 4301 s teplotní komorou
- zatěžovací zařízení pro creepové testy (vlastní konstrukce)

vybavení (ve vývoji/výrobě):
- zatěžovací zařízení pro čtyřbodový ohyb použitelné pro radiografická měření (vlastní konstrukce)
- zařízení pro optickou a mechanickou analýzu pomocí odbrušování (vlastní konstrukce)
- jednoosé zatěžovací zařízení použitelné pro radiografická měření s možností komory pro biologické vzorky do 3 kN (vlastní konstrukce)

Projekty

současné:
- Interreg ATCZ133 (Kompetenzzentrum MechanoBiologie in Regenerativer Medizin)
- Interreg ATCZ38 (Competence Center for High-Resolution 3D X-ray Imaging)

úspěšně ukončené:
- GAČR grant no. P105/12/0824: Stanovení strukturálních a mechanických vlastností kovových pěn pomocí nanoindentace, mikrostrukturálních MKP modelů a mechanických zkoušek
- GAČR grant no. P105/10/2305: Morfometrické a mechanické vlastnosti trabekulární kosti zjištěné pomocí metod mikromechaniky a numerického modelování

D. Kytýř, P. Zlámal