Laboratoře
Ve výzkumné oblasti má v současnosti ústav dvě výzkumné skupiny (laboratoře) věnující se více tématům:
Aplikovaná fyzika povrchů a vývoj biomateriálů
Vedoucím skupiny je doc. Mgr. Aleš Mráček, Ph.D., dalšími členy týmu jsou Ing. Antonín Minařík, Ph.D., Ing. Petr Smolka, Ph.D., Ing. Lenka Musilová, Ph.D. a doc. RNDr. Petr Ponížil, Ph.D. Samozřejmě nezapomínáme zapojovat ani naše doktorandy Ing. Erik Wrzecionka, Ing. Martin Minaříka, Ing. Markétu Kadlečkovou a Ing. Barboru Ptoškovou.
Zaměřujeme se na 4 oblasti výzkumu:
1) Vývoj a konstrukce experimentálních zařízení
Jednou z oblastí výzkumné skupiny jsou návrhy a konstrukce přístrojů pro charakterizaci a úpravu nově vyvíjených materiálových soustav na polymerní, kovové i keramické bázi (zejména v oblasti povrchových vlastností). Ve skupině jsou odborníci, kteří dokáží pokrýt celý vývoj od koncepce přes 3D návrh, výrobu funkčního vzorku či prototypu s jeho otestováním až po patentovou ochranu. Některé přístroje jsou i přes licenční smlouvu vyráběny ve firmách.
Příklady (poster): Vývoj a konstrukce experimentálních zařízení.pdf
2) Strukturované polymerní povrchy
Další vývoj je zaměřený na hierarchizované povrchy (mikro až nanostruktura). Tyto materiály nacházejí svoje uplatnění v medicíně i v průmyslové praxi jako superhydrofobní povrchy, atp.
Publikace:
Wrzecionko, E., Minařík, A., Smolka, P., Minařík, M., Humpolíček, P., Rejmontová, P., Mráček, A., Minaříková, M., Gřundělová, L.: Variations of Polymer Porous Surface Structures via the Time-Sequenced Dosing of Mixed Solvents, ACS Applied Materials and Interfaces, 9, 6472−6481, 2017
Příklad (poster, video): Strukturované polymerní povrchy.pdf
3) Studium a úprava fyzikálních a fyzikálně chemických vlastností biopolymerních systémů
Fyzikálně-chemické modifikace vlastností roztoků polymerů jsou taktéž oblastí, která spadá do badatelského zájmu naší skupiny. Jedná se především o speciální zařízení vyvinuté na našem ústavu, ve kterém dokážeme kromě jiného měnit povrchovou aktivitu roztoků mající trvalý charakter díky určitému překonání “termodynamického potenciálu”. Velice laicky řečeno dokážeme “natahovat” polymerní řetězce z klubek, která jsou charakteristická pro statistické chování polymerních řetězců. Co je však velice podstatné, lze touto cestou fixovat orientaci polymerních řetězců v pevné fázi a díky tomu po následném rozpuštění pevného filmu do roztoku se vlastnosti zachovávají. Navíc takto připravované filmy například z kyseliny hyaluronové získávají mnohem lepší mechanické vlastnosti než při klasické výrobě filmů po odpaření rozpouštědla. Tyto filmy pak mohou být využívány v kosmetice nebo při hojení ran po operacích. Tato metoda je unikátní a má svou aplikaci například ve firmě Contipro Group, a. s., která je největším světovým producentem kyseliny hyaluronové na světě. Nemalou část tohoto výzkumu také tvoří studium vlivu iontů Hofmeisterovy řady na chování hyaluronanu ve vodných roztocích těchto solí. Původně byla tato řada iontů studována pouze pro proteiny, které jsou na rozdíl od “běžných” polymerních materiálů velmi rigidní a mají poměrně stálou kvartérní strukturu. V současné době jsou stále více žádány i studie chování hyaluronanu a jiných polysacharidů ve vztahu k fyziologickým podmínkám a jedná se tedy o vysoce aktuální výzkum.
Příklad (poster): Úprava fyzikálních vlastností biopolymerních systémů.pdf
4) Příprava hydrogelů na bázi kyseliny hyaluronové
Na ústavu také připravujeme hydrogely, které mají potenciální využití v tkáňovém inženýrství. Ve spolupráci se skupinou doc. Humpolíčka máme možnost dělat i podrobnější studie na chování buněk v našich scaffoldech. Jsme schopni připravovat hydrogely s definovanou porozitou a bioaktivitou a řídit tak povrchové interakce mezi buňkami a materiálem. Naším cílem je vyvinout nové “lešení” pro kmenové buňky tak, abychom dokázali řídit následnou diferenciaci těchto buněk vedoucí k tvorbě nových tkání, které pak budou využitelné v medicíně. Jedním z unikátních přístrojů ve skupině je i 3D biotiskárna. Opravdovým snem a výzvou jsou pro nás materiály, které umožní “výrobu” orgánů.
Příklad (poster, video): Strukturované materiály pro tkáňové inženýrství.pdf
Fyzikální a biofyzikální chemie
Vedoucím této skupiny vědců je RNDr. Marek Ingr, Ph.D., který velí ostatním členům: RNDr. Evě Kutálkové, Ph.D., Ing. Josefu Hrnčiříkovi, CSc., Ing. Dušanovi Fojtů, Ph.D., Ing. Petru Eliskovi, Ph.D. a RNDr. Martě Sližové, CSc. Tým doplňuje i student doktorského programu Mgr. Roman Witasek.
Naše vědecké zaměření se točí těmito třemi směry:
1) Simulace biomolekul metodou molekulové dynamiky (MD)
Naše výzkumná skupina se zabývá především simulacemi biomolekul, a to jak proteinů, tak polysacharidů. Pomocí námi nedávno vyvinuté metody provádíme simulace náhodných klubek volně sbalených polysacharidových molekul, zejména kyseliny hyaluronové, v roztocích různých elektrolytů lišících se přítomnými ionty a jejich koncentracemi. Naše výsledky ukazují, že ionty ovlivňují strukturu náhodných klubek především jinými mechanismy než stíněním vzájemného odpuzování záporných nábojů přítomných na molekule hyaluronanu. V současnosti se zabýváme studiem detailního mechanismu interakce polysacharidů s ionty. Kromě toho se zabýváme studiem mechanismu vazby molekul hyaluronanu na jejich proteinové receptory, hyaladheriny, jakož i stability těchto komplexů. Tento projekt je zaměřen na odhalení klíčových interakcí stabilizujících uvedené komplexy, posouzení významu náboje molekul pro vazbu obou partnerů, a případně návrh umělých ligandů hyaladherinů s možným terapeutickým a biotechnologickým využitím.
Výpočty metodou MD jsou prováděny pomocí programových balíků NAMD a GROMACS, k vyhodnocení výsledků simulací jsou používány některé námi vyvinuté programy. Případné kvantověchemické výpočty jsou prováděny v programu GAMESS.
2) Proteiny za vysokého tlaku
Toto částečně teoretické a částečně experimentální téma je zaměřeno na studium termodynamiky změn proteinové struktury a reaktivity za vysokého tlaku. V poslední době jsme se zabývali výzkumem disociace a unfoldingu proteasy z viru HIV-1 za vysokého tlaku a pomocí vysokotlakých metod stanovili disociační konstantu dimeru tohoto enzymu a podmínky, za nichž dochází k unfoldingu jeho nativní konformace. Zároveň jsme simulovali monomer a dimer tohoto proteinu za vysokého tlaku metodou molekulové dynamiky a odhadli objemovou změnu provázející disociaci dimeru. V současnosti se zabýváme tlakovou závislostí enzymové aktivity tohoto proteinu, jak experimentálně, tak teoreticky. Experimentální část tohoto projektu je prováděna ve spolupráci s Univerzitou v Montpellier ve Francii (R. Lange, E. Dumay, L. Palmade, D. Chevalier-Lucia).
3) Mikromanipulace biomolekul metodou optické pinzety
V rámci tohoto programu vyvíjíme aparaturu pro manipulaci s jednotlivými biomolekulami metodou optické pinzety (pasti). Zařízení je založeno na inverzním fluorescenčním mikroskopu a infračerveném laseru,
jehož paprsek je rozdělen a zaostřen do dvou bodů v ohniskové rovině, čímž vznikají dvě optické pasti. Aparatura bude osazena pozičními detektory umožňujícími měřit změny poloh mikroobjektů v nanometrovém měřítku a mikrofluidickým systémem pro online manipulaci se vzorkem.
Vibroakustické vlastnosti materiálů
Touto oblastí vědy se zabývá doc. Ing. Martin Vašina, Ph.D. Výzkumné zaměření se skládá z následujících oblastí:
1) Zvukoizolační vlastnosti materiálů
Jedná se o vývoj a měření různých typů materiálů z hlediska jejich schopnosti tlumit hluk. Měření zvukoizolačních vlastností spočívá ve stanovení frekvenčních závislostí činitele zvukové pohltivosti materiálů ve frekvenčním rozsahu od 2 do 6400 Hz pomocí Kundtovy impedanční trubice typu BK 4206 a multianalyzátoru typu BK 3560-B-030 od firmy Brüel & Kjær (Nærum, Dánsko). Mohou být testovány různé typy tuhých zvukoizolačních materiálů (např. pórovité pěny, vláknité materiály, vrstevnaté struktury, recyklované materiály, sypké hmoty aj.). Kromě vlivu frekvence akustického vlnění na schopnost daného materiálu tlumit zvuk mohou být zkoumány další faktory, např. vliv tloušťky materiálu, vzduchové mezery, tvaru povrchu, pórovitosti, struktury, složení, hustoty, počtu a pořadí jednotlivých vrstev ve vícevrstvých zvukoizolačních strukturách apod.
2) Vibroizolační vlastnosti materiálů
Jedná se o vývoj a měření různých typů látek pro tlumení nežádoucího mechanického chvění. Měření vibroizolačních vlastností spočívá ve stanovení frekvenčních závislostí přenosového útlumu látek ve frekvenčním rozsahu od 2 do 6400 Hz. Měření je realizováno metodou nuceného kmitání pomocí vibrátoru typu BK 4810 a multianalyzátoru typu BK 3560-B-030 od firmy Brüel & Kjær (Nærum, Dánsko). Mohou být zkoumány různé typy látek z hlediska jejich tuhosti a tím i schopnosti tlumit mechanické kmitání, např. pórovité materiály, sypké hmoty, recyklované materiály, vysoce viskózní Nenewtonovské kapaliny, vrstevnaté struktury apod. Kromě vlivu frekvence mechanického vlnění na tlumení mechanických vibrací určitého materiálu mohou být zkoumány i jiné faktory, např. vliv tloušťky materiálu, jeho pórovitosti, hustoty, velikosti setrvačného zatížení, struktury a složení materiálu, počtu a druhu materiálových vrstev ve vícevrstvých strukturách apod.
