Master thesis deals with topic about 3D printers, concretely making hardware of control and power electronic for FDM 3D printer. The work could offer an overview about basic 3D printing technologies after reading. More information could be read about FDM technology, which is used in our printer, also with description of all important components. The furthest is discussed about electronic drives. If reader is interested in this topic, part of this thesis is schematic design of control electronics, which can be used to build own boards. Design of printed circuit boards is not present in attachment and can be obtained by contacting the author. For own control is used one of the open source control software. Mechanical problems and also mechanical design is done in parallel thesis by other student of Faculty of mechanical engineering.

Technological development, broad availability and ubiquity of mobile phones made it possible in recent years to start a progression leading to the integration of mobile phones into biomedical analytical methods, the development of telemedicine and mobile personal health applications. This paper deals with the literature review of the mobile phone usage in biomedicine, with emphasis on the methods of optical analysis and technical solutions using 3D printing technology. It provides a draft and practical implementation of salivary cortiol level measuring system using a mobile phone, ELISA analytical methods, 3D printing technology and a set of custom Matlab functions connected with Matlab Mobile application and Mathworks Cloud. Also provides critical evaluation of results and method possibilities, and presents set of proposals and findings for quality of measurment optimization.

This master thesis is focused on a research in the field of 3D printing technology. During the research a particular technology, being regularly applied by the RepRap printers, is described. Mentioned technology is tested on a Rebel II printer model. The findings are applied to the dual 3D extruder design project. This dual 3D extruder is designed and made in two basic options, where the first option discovers the shortcomings and the second option is modified and tested. In the following step, assessment of applicability, functionality, as well as economic analysis of production of this dual 3D extruder is made.

This thesis is focusing on the construction of a four-stroke internal combustion engine for a 250 ccm road bike. Since it is a road bike, the introduction of legislation of the Czech Republic for this category is outlined in the introduction of the thesis. Furthermore, disassembling of similar and competitive engine was conducted. The thesis also describes the process of construction of this four-stroke internal combustion engine. In addition, the thesis compares friction loss on the main bearing crankshaft. In the latter part there is summarization of all findings.

This diploma thesis deals with an atypical heated bed for FDM 3D printer. It presents the most commonly used ways of heating and the chosen variant of the heated beds are realized by powerful resistors. There are also discussed three ways of placement of resistors on the desktop motherboards that are modeled in Autodesk Inventor Professional 2016 and exported to Autodesk Fusion 360, where FEM calculations are made. Optimal alternative is made and tested. The test results are compared with the results of thermal simulations in Autodesk Fusion 360.

Technological development, broad availability and ubiquity of mobile phones made it possible in recent years to start a progression leading to the integration of mobile phones into biomedical analytical methods, the development of telemedicine and mobile personal health applications. This paper deals with the literature review of the mobile phone usage in biomedicine, with emphasis on the methods of optical analysis and technical solutions using 3D printing technology. It provides a draft and practical implementation of salivary cortiol level measuring system using a mobile phone, ELISA analytical methods, 3D printing technology and a set of custom Matlab functions connected with Matlab Mobile application and Mathworks Cloud. Also provides critical evaluation of results and method possibilities, and presents set of proposals and findings for quality of measurment optimization.

Tato disertační práce se zabývá biometrickým rozpoznáváním 3D obličejů. V úvodu práce jsou prezentovány současné metody a techniky pro rozpoznávání. Následně je navržen nový algoritmus, který využívá tzv. multialgoritmickou biometrickou fúzi. Vstupní snímek 3D obličeje je paralelně zpracování dílčími rozpoznávacími podalgoritmy a celkové rozhodnutí o identitě nebo verifikaci identity uživatele je výsledkem sloučení výstupu těchto podalgoritmů. Rozpoznávací algoritmus byl testován na veřejně přístupné databázi 3D obličejů FRGC v 2.0 i vlastních databázich, které byly pořízeny pomocí senzorů Microsoft Kinect a SoftKinetic DS325.

Les cartes électroniques modernes nécessitent des analyses avancées d’intégrité du signal (IS), d’intégrité de puissance (IP), et de compatibilité électromagnétique (CEM). Face aux complexités des circuits imprimés, les méthodes de calcul classiques ne permettent ni de poser le problème ni de l’analyser théoriquement. Cependant, l’analyse tensorielle des réseaux (ATR) basée sur la méthode de Kron complétée du modèle de Branin (KB) laisse entrevoir une capacité d’analyse plus avancée des PCB. L’ATR appliquée à l’espace des mailles conduit à une modélisation compacte et une expression lagrangienne directe des circuits imprimés. Cette thèse présente une approche sous l’ATR appliquée aux circuits imprimés d’IS, IP, CEM et multiphysique des circuits imprimés multicouches. Après la description de l’état de l’art, la méthodologie de base de l’approche par l’ATR est décrite à l’aide de la formulation des métriques tensorielles dans le domaine des fréquences. Après définition des éléments primitifs nécessaires pour les structures des circuits imprimés et l’introduction analytique de la méthode KB, le modèle sous l’ATR et des analyses de sensibilité sont comparées avec des simulations « 3D » en utilisant des outils commerciaux et des mesures expérimentales du régime continu jusqu’à des fréquences de quelques gigahertz. Ensuite, le modèle des circuits multicouches est originellement traduit totalement dans le domaine temporel (DT) en définissant les opérateurs temporels appropriés aux éléments dits « primitifs » sous l’ATR. La pertinence du modèle ATR en DT est vérifiée par des comparaisons avec des simulations é3D » et des mesures de circuits multicouches en prenant en compte des signaux de débits de l’ordre du gigabit par seconde. Dans la partie suivante, des modèles innovants élaborés via l’ATR pour la CEM en modes rayonnés des cartes multicouches sont étudiés en considérant des couplages entre champs électromagnétiques et cartes multicouches. La modèle élaboré sous l’ATR pour la CEM des modes rayonnés est validé avec un scénario composé de circuits imprimés multicouches avec une ligne d’interconnexion en forme de « Z » agressés par des rayonnements électromagnétiques émis dans différentes directions de propagation, et aussi avec un couplage rayonné entre un circuit microruban avec une ligne en forme de « I » et un circuit multicouche. Puis, une analyse multiphysique complètement originale d’un circuit multicouche sous agression de cycle thermique est développé toujours sous le formalisme de l’ATR en traitant des phénoménologies électromécaniques. Après avoir formulé l’expression des sous-systèmes monophysiques, la métrique multiphysique du circuit multicouche sous agression de cycle thermique est élaborée. La faisabilité de cette analyse multiphysique est vérifiée à l’aide d’une preuve de concept d’un circuit à quatre couches. La dernière partie de cette thèse est consacrée à la CEM en mode conduit d’un circuit imprimé composé d’interconnexions multicouches, de composants passifs et de circuits intégrés comme composants actifs. Il est démontré que l’approche par l’ATR permet d’hybrider des modèles analytiques, numériques, et les standards IC-EMC et IBIS afin de réaliser une analyse pertinente de la CEM des cartes multicouches. Ce modèle typiquement système permet de prédire des niveaux de bruits émis par des perturbations CEM liées aux courants de perturbation induits par des circuits intégrés, via une matrice impédance de transfert dans les domaines des fréquences et du temps. / The modern electronic printed circuit boards (PCBs) require challenging signal integrity (SI), power integrity (PI) and electromagnetic compatibility (EMC) analyses. The PCB analysis conventional computational methods do not allow to pose and to analyse theoretically most of problems. However, the Kron’s method completed by Branin’s one based tensorial analysis of networks (TAN) promises a complex PCB analyses possibility. The TAN formalism applied to mesh space allows the PCB compact modeling and direct Lagrangian expression. This thesis introduces multilayer PCBs SI, PI, EMC, and Multiphysic TAN approaches. After the state-of-the-art description, the TAN modelling basic methodology by the way of tensorial metric formulation applied to PCB analysis in the frequency domain is developed. After the definitions of primitive elements necessary to investigate the PCB structure and the KB method introduction, the TAN model is validated from DC to some gigahertz with commercial tool « 3D » EM full-wave simulations and experimental measurements added by sensitivity analyses. Then, the multilayer PCB TAN is originally translated into innovative direct time-domain (TD) model by defining the primitive element appropriate TD operators. The TD TAN model efficiency is verified with multilayer PCB 3D simulation and measuremet comparisons by considering multigigabits-per-second high-speed signals. In the next part, original multilayer PCB radiated EMC TAN models are investigated via EM field coupling onto the PCBs. The radiated EMC model is validated with a scenario consisted of « Z »-shape multilayer PCB aggressed by radiated EM plane waves in different propagation directions and radiated coupling between multilayer and « I »-shape line microstrip PCBs. Then, a completely original Multiphysics TAN of multilayer PCB under thermal cycle aggression is developed by dealing with electrothermomechanical phenomena. After formulating monophysics subsystem TAN expression, the Multiphysics metrics of multilayer PCB under thermal cycle aggression id elaborated. The TAN Multiphysics analysis feasibility is verified with a four-layer proof-of-concept. The last part of this thesis is devoted to conducted EMC TAN of PCB system comprised of multilayer interconnects, passive components and active integrated circuit (IC) elements. It is shown that the TAN approach enables to hybridize the analytical, numerical, IC-EMC and IBIS standard models to perform a multilayer PCB EMC relevant analysis. This system level model allows to compute the EMC noises induced by IC perturbation currents with an innovative transfer matrix impedance in both frequency and time domains.

Au cours des dernières décennies, des systèmes de taille nanométrique chargés en principes actifs (nanomédicaments) et des nouvelles stratégies thérapeutiques ont été développés afin de surmonter les limitations liées à la chimiothérapie conventionnelle telles qu’une distribution non spécifique, une mauvaise accumulation dans les tissus cibles ainsi qu’une métabolisation rapide. Cependant, le succès des nouveaux médicaments en clinique reste encore limité et seulement un faible nombre de nanomédicaments est actuellement commercialisé.Une divergence entre les résultats précliniques in vitro et les performances obtenues in vivo est souvent observée dans la première étape du développement d'un médicament. Cet écart pourrait être attribué au manque de modèles pertinents, représentatifs de la pathologie observée chez l’Homme et qui soient de bons prédicteurs de la réponse thérapeutique chez les patients. En effet, les modèles utilisés aujourd’hui (généralement culture cellulaire en deux dimensions, 2D) ne reproduisent pas la structure complexe de la tumeur in vivo. Ainsi, ils ne permettent pas une évaluation fiable du potentiel thérapeutique réel des médicaments. Dans cette optique, les méthodologies de culture de cellules en trois dimensions (3D) sont extrêmement avantageuses. Ces méthodologies permettent, en effet, la construction de systèmes cellulaires pertinents qui reproduisent in vitro la relation entre les cellules cancéreuses et leur microenvironnement. Parmi ces modèles, l'assemblage de cellules sous forme de sphéroïdes multicellulaires a été largement exploré. Néanmoins, les sphéroïdes décrits jusqu'à présent correspondent à des nodules formés exclusivement de cellules cancéreuses, ce qui constitue une vraie limitation. En effet, ces sphéroïdes ne reproduisent pas l’organisation de la tumeur et l'hétérogénéité du microenvironnement, et par conséquent ils ne parviennent pas à mimer les multiples barrières biologiques que les médicaments doivent traverser pour atteindre les cellules cibles.Dans cet esprit, l'objectif de cette thèse de doctorat était de surmonter ces limitations et de construire des modèles pertinents qui reproduisent in vitro la relation entre les cellules cancéreuses et leur microenvironnement afin de i) mieux comprendre les mécanismes de passage des nanomédicaments et ii) mieux prédire l’efficacité des nouveaux traitements.Au cours de cette thèse nous nous sommes intéressés au cancer du pancréas qui est caractérisé par la présence d'un abondant stroma formant un bloc fibreux (réaction desmoplastique) qui limite la pénétration des médicaments et réduit ainsi leur efficacité. Cette tumeur représente donc un bon exemple de barrière biologique tumorale.La partie principale de ce travail de recherche repose sur la construction et la caractérisation complète d’un nouveau type de sphéroïde multicellulaire, capable de reproduire in vitro la relation entre les cellules cancéreuses et leur microenvironnement, grâce à la co-culture de cellules cancéreuses pancréatiques, de fibroblastes et de cellules endothéliales. Les études de cytotoxicité in vitro nous ont permis d’investiguer la capacité de ce modèle à reproduire la résistance des cellules cancéreuses aux traitements observés in vivo. Grâce à la Microscopie de Fluorescence à Feuillet de Lumière nous avons pu étudier la pénétration de la doxorubicine, soit en forme libre, soit encapsulée dans des nanoparticules, au sein des sphéroïdes. Ensuite, afin de mieux comprendre comment les médicaments et nanomédicaments interagissent avec la tumeur, nous avons cherché à combiner la culture 3D avec des conditions dynamiques contrôlées dans un dispositif microfluidique. Pour atteindre cet objectif, nous avons conçu et fabriqué une puce sur mesure, adaptée pour loger à la fois le sphéroïde et des canaux dans lesquels les cellules endothéliales pourront s’organiser sous forme de vaisseaux. / In the last decades, various engineered systems for drug delivery (i.e., nanomedicines) have been developed with the aim to overcome the limits associated to conventional chemotherapy, such as non-specific drug distribution, poor delivery to the target tissue and rapid metabolism. However, the success of new therapeutic strategies in the clinic is still suboptimal and only a limited number is currently marketed.A discrepancy between promising preclinical in vitro results and the in vivo performances is often observed in the early stage of drug development and might be ascribed to the lack of capacity of the models commonly used for in vitro studies to faithfully reproduce the pathophysiology of solid tumors. These models mainly consist of cancer cells cultured as flat (two dimensional, 2D) monolayers or assembled to form three dimensional (3D) multicellular tumor spheroids (MCTS).However, being composed exclusively of one cell type, these models are too simplistic. They do not allow to reproduce the heterogeneous cellular composition, as well as, the complex architecture of the tumor and its surrounding microenvironment. Thus, they fail to replicate the multiple biological barriers that drugs and nanomecidines have to cross in order to reach the target cells.The aim of this PhD thesis was to overcome these limitations and construct a reliable tool for an appropriate in vitro evaluation of the therapeutic potential of nanomedicines and other chemotherapies. Attention has been focused on the pancreatic ductal adenocarcinoma (PDAC) whose strong fibrotic reaction represents a well-known example of a tumor biological barrier responsible of the limited efficacy of the treatments. The main part of this research work relies on the construction and complete characterization of novel hetero-type MCTS based on a triple co-culture of pancreatic cancer cells, fibroblasts and endothelial cells, and thus capable to integrate the cancerous component and the microenvironment of the tumor. The constructed 3D model has demonstrated the capacity to reproduce in vitro the influence of the microenvironment on the sensitivity of cancer cells to chemotherapy. In addition, by combining the 3D model and the innovative Light Sheet Fluorescence Microscopy (LSFM), we have been able to investigate the penetration of the anticancer drug doxorubicin (in a free form and loaded into nanoparticles (NPs)) in a high informative manner. Then, in order to acquire a better understanding on how nanomedicines and other anticancer chemotherapies interact with the tumor, we sought to combine the hetero-type 3D culture with controlled flow conditions in a microfluidic device. To reach this goal we have designed and fabricated a tailor-made chip suitable to host both a MCTS and a perfusable microvascular network (i.e., MCTS-on-a-chip).

Les principales maladies neurodégénératives humaines, qui reposent toutes sur des mécanismes de type prion (auto-propagation d’agrégats protéiques pathogéniques), représentent un risque sociétal majeur avec une augmentation de leur prévalence directement corrélée avec l’augmentation de la longévité de la population mondiale. Il n’existe à ce jour aucun traitement curatif ni aucun modèle expérimental suffisamment pertinent pour ces maladies.L'objectif de ce travail a été d'utiliser le potentiel des mini-cerveaux humains comme modèle in vitro auto-assemblé en trois dimensions (3D) capable de restituer la complexité du cortex cérébral et d’étudier les mécanismes de type prion en développant une méthodologie de validation basée sur la microscopie 3D. Ces nouvelles structures 3D qui peuvent être obtenues à partir de cellules adultes reprogrammées de patients en cellules souches pluripotentes induites (iPSC), offrent des possibilités uniques pour accéder, observer et perturber les processus biologiques dans le cerveau humain sans les biais ni les complications des modèles animaux ou des échantillons de cerveau humain ex vivo. Ce modèle permet notamment d’observer l’apparition d’agrégats d’Aß et de Tau phosphorylée, deux protéines qui s’accumulent et se propagent de cellule en cellule dans la maladie d’Alzheimer.Nous avons été en mesure de rendre le modèle des mini-cerveaux compatible avec une future approche de criblage de molécules thérapeutiques en modifiant la méthodologie de différenciation pour augmenter leur rendement de production. D’autre part, nous avons pu tester différentes modalités de modélisation pour la Maladie d’Alzheimer, la maladie de Parkinson, la Démence Fronto-Temporale et la maladie de Creutzfeldt-Jakob : à l’aide de molécules d’induction chimique, à l’aide de cellules issues de patients, par modification génétique et par mise en contact de matériel infectieux. Ces différentes approches nous ont permis d’établir que le modèle d’organoïde cérébral permet de reproduire des aspects-clés retrouvés dans l’apparition de la pathologie chez les patients. Pour compenser l’hétérogénéité de notre modèle, nous avons réalisé une analyse in toto par imagerie, c’est-à-dire dans sa totalité sans coupes préalables. La modalité retenue pour cette acquisition est la microscopie à feuillet de lumière utilisée après marquage et clarification des mini-cerveaux. Pour ce faire, nous avons évalué et développé différentes stratégies en vue d’obtenir une plateforme d’analyse à haut contenu pour nos organoïdes cérébraux.Cette plateforme centrée autour de l’organoïde cérébral, sous-tendue par l’analyse en microscopie 3D, a été développée dans le cadre du projet « Investissements d’Avenir » 3DNeuroSecure. Ce projet a pour ambition d’apporter des solutions de calcul haute performance au domaine de la biologie, notamment avec la possibilité de traiter des informations de très grand volume, dit « exascale », telles que celles que nous obtenons avec la microscopie 3D. Le développement de cet aspect nous permettrait à terme de pouvoir établir les bases d’un outil de criblage thérapeutique par les organoïdes cérébraux pour les maladies neurodégénératives. Nous avons démontré que les mécanismes de type prion pouvaient être étudiés dans ce modèle de mini-cerveaux humains et de multiples voies de recherche fondamentale et appliquée sont désormais possibles. A plus long terme, une telle plateforme pourrait accueillir tout type d’organoïdes pour modéliser l’ensemble du corps humain et s’inscrire comme un compagnon biologique dans le cadre des futurs développements de la médecine personnalisée. / Human neurodegenerative diseases, which are all based on prion-like mechanisms (self-propagation of pathogenic protein aggregates), represent a major societal risk with the increase of their prevalence directly correlated to the increasing longevity of the world population. There is to date neither any cure nor any pertinent experimental model for their study.The objective of this work was to use the potential of human mini-brains, a self-assembled three-dimensional in vitro model able to restitute the complexity of the cerebral cortex. This model will allow us to study prion-like mechanism by developing a validation methodology based on 3D microscopy. These novel 3D structures can be obtained from reprogrammed adult cells into induced pluripotent stem cells (iPSCs) and offer unique possibilities to access, observe and disrupt biological processes in the human brain without bias nor complications as in animal models and ex vivo human brain samples. This model makes it possible to observe the development of aggregates of Aβ and hyper-phosphorylated Tau, two proteins that accumulate and propagate from cell to cell during Alzheimer’s disease.We have been to able to adapt the cerebral organoid model for a future screening approach by modifying the differentiation methodology to enhance its production ratio. We also have been able to test different modalities for disease modeling for Alzheimer’s disease, Parkinson’s disease, Fronto-Temporal Dementia and Creutzfeldt-Jakob disease: with chemical induction, with patient specific cells, through genetic modification and through contact with infectious material. These different approaches allowed us to validate that the cerebral organoid can indeed reproduce key aspects found during pathological development within patients. To compensate for the heterogeneity of the cerebral organoid, we performed an in toto analysis through microscopy, meaning in its totality without prior slicing. The chosen method of acquisition is fluorescence light-sheet microscopy used after staining and optical clearing of cerebral organoids. To do so, we have evaluated and established different strategies in order to obtain a high content screening platform for our cerebral organoid model.This platform centered around the cerebral organoid model, underpinned by 3D microscopy analysis, was developed during the “Investissements d’Avenir” project 3DNeuroSecure. This project has for ambition to bring high performance computing to the biological sciences, notably with the possibility to deal with large scale data, also called “exascale”, like the ones obtained with 3D microscopy. The development of this aspect would allow us to establish the basis for a therapeutic screening tool based on cerebral organoids for neurodegenerative diseases. We have demonstrated that prion-like mechanisms can be studied in a human mini-brain model and multiple research avenues are now opened for both fundamental and applied research. This platform could in turn become the basis for any kind of organoids derived from patients to model the whole human body and become a biological companion for personalized medicine.