Biodegradable metallic materials for medical applications have received considerable attention in recent years. The main reason is that they provide high potential for fabrication of temporal orthopedic implants such as bone fixation devices. Magnesium is an excellent candidate for fabrication of biodegradable implants due to its biocompatibility, mechanical properties similar to human bone and relevance for biological body functions. The fast degradation rate of magnesium and its biodegradable alloys in physiological environment limits its clinical application. Another attractive material in the field of biodegradable materials is zinc, which is among the essential elements in human body. Zinc exhibits an excellent corrosion resistance, and inferior biocompatibility compared to with magnesium. Hence, surface modification to form a hard, dense/porous, biocompatible and corrosion resistant modified layer has become an interesting topic in magnesium base biomaterials. Since hydroxyapatite is well tolerated by living organisms and in addition, improves the bone growth, it appears to be excellent candidate for such coatings on surface of biodegradable materials (e.g. Mg, Zn). This thesis is focused on comparison of corrosion behavior of pure non ferrous metals (Mg, Zn) and metals coated with hydroxyapatite, in simulated body fluids. The present approach is the use of modified atmospheric plasma spray technology to produce the hydroxyapatite coatings – suspension spraying. Composition and structure of the coatings and corrosion products were studied by light microscopy, scanning electron microscopy equipped with energy dispersive microanalyzer and X-ray diffraction. Corrosion of Mg and Zn samples was monitored by weight loss and determined by X ray and micro-tomography. The application of the HA coating resulted in decrease of corrosion rate of pure Mg. The corrosion rate of coated Mg samples was lower by 27,3 % in comparison with the corrosion rate of pure non coated Mg. Corrosion degradation of uncoated and coated Zn samples was minimal. The aplication of HA on the non ferrous surface appears to be a very promising method to improve corrosion and biological properties of these biodegradable materials.

When the big joints like a knee or hip joint are damaged, the solution of this problem is an artificial substitute. The replacement of damaged joints with endoprotesis helps to reduce the pain and to move normally. In the design of the implant is necessary to fulfil all requirements on the properties of the material. The surface of implant is important, because it is directly connected to bone tissue. After implantation, the negative effect include infection, inflammation or release of the implant due to limited osseointegration, may appear. The osseointegration can be improved by modifying the material surface. This thesis is focused on development and evaluation of advanced materials imitating the bone structure, especially nanoroughness and the presence of biomimetic component, such as hydroxyapatite. In this study is evaluated adhesion, proliferation, viability, differentiation, and synthesis of specific proteins of human osteoblasts like Saos-2 on titanium modified with nanotubes and plasma sprayed hydroxyapatite compared with smooth surfaces. Key words: titanium, nanotubes, osteoblasts, hydroxyapatite, nanoroughness

The thesis deals with the precipitation synthesis of nanoparticle hydroxyapatite with goal to study the influence of reaction conditions on the morphology of the particles. The theoretical part is focused on biomaterials, bioceramics and phosphates characterization. Further the work is focused on hydroxyapatite, its characteristics and possible synthesis in particular. The synthesis of hydroxyapatite precipitation is described in the experimental part. Syntheses were performed at a reaction temperature of 0-80 °C at pH = 8-11, at the aging time of 0-24 h, in the presence of surfactant and the chelating agent and with the post-precipitation hydrothermal or ultrasonic treatment. For characterization of the prepared powders, scanning electron microscopy (SEM), transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD), laser diffraction (LD) and the analysis of the specific surface area (BET) were used. Pure hydroxyapatite powders or a mixture of hydroxyapatite and tricalcium phosphate were prepared by precipitation syntheses. HA particle morphology was strongly affected by the reaction temperature – with increasing temperature the larger particles with a clearer morphology were formed, mostly in the rod shape. Postprecipitation hydrothermal treatment had a significant influence on the morphology of HA particles – it caused the formation of spherical or slightly elongated particles. The reaction medium of water/ethanol significantly affected the particle morphology – it inhibited the particle growth.

Taking inspiration from nature, where composite materials made of a polymer matrix and inorganic fillers are often found, e.g. bone, shell of crustaceans, shell of eggs, etc., the feasibility on making composite materials containing chitosan and nanosized hydroxyapatite were investigated. A new preparation approach based on a co-precipitation method has been developed. In its earlier stage of formation, the composite occurs as hydrogel as suspended in aqueous alkaline solution. In order to get solid composites various drying procedures including freeze-drying technique, air-drying at room temperature and at moderate temperatures, between 50oC and 100oC were used. Physicochemical studies showed that the composites exhibit different properties with respect to their structure and composition. IR and Raman spectroscopy probed the presence of both chitosan and hydroxyapatite in the composites. Hydroxyapatite as dispersed in the chitosan matrix was found to be in the nanosize range (15-50 nm) and occurs in a bimodal distribution with respect to its crystallite length. Two types of distribution domains of hydroxyapatite crystallites in the composite matrix such as cluster-like (200-400 nm) and scattered-like domains were identified by the transmission electron microscopy (TEM), X-ray diffraction (XRD) and by confocal scanning laser microscopy (CSLM) measurements. Relaxation NMR experiments on composite hydrogels showed the presence of two types of water sites in their gel networks, such as free and bound water. Mechanical tests showed that the mechanical properties of composites are one order of magnitude less than those of compact bone but comparable to those of porous bone. The enzymatic degradation rates of composites showed slow degradation processes. The yields of degradation were estimated to be less than 10% by loss of mass, after incubation with lysozyme, for a period of 50 days. Since the composite materials were found biocompatible by the in vivo tests, the simple mode of their fabrication and their properties recommend them as potential candidates for the non-load bearing bone substitute materials. / Inspiriert von Natur, bei der Kompositmaterialien aus Polymermatrices und anorganischen Füllstoffen z.B. in Knochen, Krustentieren und Eierschalen vorzufinden sind, wurde die Herstellungsmöglichkeit von Kompositmaterial aus Chitosan und Hydroxyapatitdispersionen untersucht. Basierend auf einem Kopräzipitationsverfahren wurde eine neue Herstellungsmethode entwickelt, die als flexibler Zugang zu einem Spektrum von Komposittypen führt. In den frühen Phasen der Kompositbildung entsteht ein in der wässrigen alkalischen Lösung suspendiertes Hydrogel, das durch Filtration und Zentrifugation isoliert werden kann. IR und Ramanspektroskopie klären das Vorhandensein von Chitosan und Hydroxyapatit im Kompositmaterial. Hydroxyapatit ist als Nanopartikel der Größe von 15-50 nm in bimodaler Verteilung in der Chitosanmatrix dispersiert, und in durch Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), X-Ray Diffraction (XRD) und Konfokaler Laserscanmikroskopie (CSLM) nachweisbaren 200-400 nm großen Clustern assembliert. NMR-Relaxationsmessungen an Hydrogelkompositmaterial decken die Existenz zweier Klassen vorkommenden Wassers im Netzwerk auf, gebundenes und freies Wasser. Mechanische Tests zeigen, dass die mechanische Festigkeit etwa eine Größenordnung unter der von massivem Knochen liegt, der Festigkeit von porösem Knochen aber gleichkommt. Enzymatische Abbauraten des Kompostimaterials sind als langsam einzuschätzen. Eine 50-tägige Einwirkzeit von Lysozym führte zu einem Abbau von 10 % der Kompositmasse. Die sich durch in vivo Tests herausstellende Biokompatibilität, die einfachen Herstellungsmöglichkeiten und die physikochemischen Eigenschaften empfehlen dieses Material als vielversprechenden Kandidaten für Knochenersatzmaterial in mäßig belasteten Bereichen.

Hydroxyapatite coatings have been used as a barrier between a metal core of replacement and living tissue for long time in medicine. Plasma spray is a typical technology for preparation these coatings. This thesis concerns a new plasma spray technology with hybrid system of arc stabilization (WSP-H). Simultaneously it uses an innovative method of feeding the initial material in a form of water suspension (SPPS). The aim of this thesis was to produce water solutions of hydroxyapatite and make coatings with WSP-H. These coatings were characterized in terms of their morfology, chemical and phase composition. Their biocompatibility was tested by a cultivation and an analysis of RAW 264.7 and MG-63 cells. The coatings made by SPPS have a very rough surface which is suitable for biological application. The biocompatibility testing discovered that the coatings will by tolerated in a human body very well. This method of production of hydroxyapatite coatings could be a good replacement of older methods after a better optimalisation of the processing parameters and after reaching purity of coating.

Diplomová práce se zabývá přípravou trojrozměrných porézních kolagenových kompozitních nosičů pro tkáňové inženýrství kostí a studiem vlivu přídavku biokeramických částic na morfologické, biomechanické a biologické vlastnosti. Teoretická část popisuje biomateriály a biokeramické částice používané pro nosiče v tkáňové inženýrství kostí a jejich metody výroby. Pokud jde o experimentální část, byly vzorky připraveny metodou lyofilizace. Testovaným materiálem byl kolagen typu I z prasečího a hovězího zdroje, který byl kombinován s hydroxyapatitem a směsí -fosforečnanu vápenatého s -fosforečnanem vápenatým v poměrech 1 : 1, 1 : 2 a 2 : 1. Byl hodnocen vliv rozpustnosti a velikosti částic na morfologii, mechaniku a biokompatibilitu nosičů. Přidání biokeramických částic změnilo morfologii vzorků. Velikost pórů se snížila, zatímco pórovitost byla ve všech testovaných vzorcích téměř stejná. Biokeramické částice také způsobily, že kolagenová matrice nosičů byla méně hydrofilní, a navíc dokázaly stabilizovat nosiče proti působení enzymatické degradace. Biomechanické vlastnosti vzorků byly testovány v suchém i mokrém stavu. V suchém stavu dosáhl nejvyšší pevnosti v tlaku čistý bovinní kolagenový nosič, naopak v hydratovaném stavu, dosáhly nejvyšší hodnoty vzorky obsahující biokeramické částice. Žádný ze vzorků nebyl cytotoxický a nejvhodnější prostředí pro buněčnou adhezi a proliferaci bylo v čistém bovinním kolagenovém nosiči a také v kolagenovém kompozitním nosiči s poměrem HAp : -TCP : 1 : 1.

The diploma thesis is related to the preparation of hydroxyapatite complex structures by additive manufacturing known as Lithography based ceramics manufacturing – LCM. A photosensitive suspension containing hydroxyapatite particles was used for 3D printing of ceramic complex structures. The influence of printing parameters on the resulting macrostructure, microstructure, density, and dimensional accuracy was evaluated. The aim was to obtain ceramic components without delamination of the layers and optimise following post-processing steps (cleaning and thermal treatment). It was found that the exposure time has a significant effect on the dimensional accuracy of printed parts. During observation microstructure of printed parts, a microporosity at the interface of printed layers, which can cause delamination of several layers was identified. High-temperature dilatometry showed different temperature of beginning densification process in the longitudinal and perpendicular directions to the layers. That could be an initiation mechanism for delamination of the layers. X-ray diffraction analysis determined a single-phase composition of powder in photosensitive suspension and sintered parts. A commercial product LithaSol 20 was suggested as a suitable cleaning agent and efficiency of the ultrasound field for cleaning was demonstrated. Based on the thermogravimetric analysis an optimized cycle of heat treatment was designed. The optimisation led to time saving (49 hours), while maintaining density, dimensional accuracy and macrostructure of the 3D printed structures.

Diplomová práce je zaměřena na přípravu koloidních suspenzí, vytvrditelných UV zářením, jenž jsou určeny k 3D tisku komplexních keramických vláknových struktur. Rovněž jsou v práci představeny techniky následného tvarování vytisknutých a vytvrzených struktur. Z hydroxyapatitu ve formě prášku a komponent, vytvrditelných UV zářením, byly vytvořeny pasty, určené k 3D tisku komplexních keramických vláknových struktur a multivrstev. U takto vytisknutých a vytvrzených struktur bylo navíc dosaženo zlepšení kvality povrchu a soudržnosti vláken. Pro výrobu past, určených k 3D tisku, s vhodnými reologickými vlastnostmi je nezbytné důkladné pochopení interakcí mezi částicemi, surfaktantem a monomerní/oligomerní směsí. Za použití lineárních a zesíťujících oligomerů jako disperzního média vznikají po tisku a UV vytvrzení velmi flexibilní vláknové mřížky, které lze dále tvarovat a takto vytvářet rozmanité struktury. Tyto struktury jsou následně slinuty, bez významných vad na povrchu či delaminace vrstev, za vzniku složitých keramických těles. Vysoké kvality povrchu je dosaženo UV vytvrzením vytisknutých struktur v argonové atmosféře, která brání kyslíkové inhibici radikálů v blízkosti povrchu vláken. Výhody kombinace 3D tisku s UV vytvrzováním jsou demonstrovány v této práci za užití dvouvrstvých flexibilních struktur, určených k následným metodám 3D tvarování. Takto vytvořených složitých 3D struktur je jen velmi obtížné, ne-li nemožné, dosáhnout pouze užitím přímého 3D tisku. Na základě této práce může být v budoucnu odvozena univerzální teorie k přípravě past, určených k 3D tisku komplexních keramických struktur pro různé aplikace.

Dizertační práce se zabývala syntézou a studiem kompozitních materiálů pro potenciální lékařské využití. Teoretická část je zaměřena na biomateriály, zejména na kompozity složené z polyvinylalkoholu a hydroxyapatitu(PVA/HA). Byly připraveny kompozitní membrány složené z polyvinylalkoholu s různým hmotnostním zastoupením hydroxyapatitu - 0%, 10%, 20%, 30%, 40% a 50%. Hydroxyapatit (HA) byl připraven srážecí metodou z hydrogenfosforečnanu amonného a tetrahydrátu dusičnanu vápenatého ve vodném alkalickém prostředí. Vzniklá suspenze se smísila s roztokem polyvinylalkoholu, který byl připraven rozpuštěním ve vodě o teplotě 85° C. Jednotlivé směsi byly odlity do formy a sušeny po dobu 7 dní při teplotě 30 ° C, vzniklé 0,5 mm tenké membrány byly analyzovány ATR-FTIR spektroskopií k identifikaci funkčních skupin v kompozitu, dále byla provedena XRD analýza. Zkouška tahem a TGA měření byly realizovány k určení vlivu HA na mechanické vlastnosti, respektive změnu tepelné odolnosti kompozitů ve srovnání s čistým PVA. Byla provedena zkouška bioaktivity v simulovaném krevním roztoku (SBF) po dobu 2h, 7 a 28 dnů. SEM byla použita k charakterizaci povrchové mikrostruktury biocompositních membrán před a po ponoření do SBF. Na povrchu testovaných membrán vznikla vrstva apatitu, která je charakteristická pro bioaktivní materiály. Bylo zjištěno, že s rostoucím množstvím HA částic docházelo ke vzniku aglomerátů v kompozitu, které vznikly mimo jiné jako důsledek růstu krystalů HA během sušení membrán. Bioaktivita rostla s delším působením SBF na vzorky.

Elektrostatické zvlákňování (v literatuře též uváděné jako electrospinning) bylo použito pro příprvu čistě polykaprolaktonových nanovláken a kompozitních nanovláken na bázi polykaprolaktonu s hydroxyapatitovými nanočásticemi. Připravená vlákna byla analyzována za použití rastrovací elektronové mikroskopie. Mechanické vlastnosti vláken byly určeny prostřednictvím zkoušky jednoosým tahem. Testy prokázaly silnou závislost mechanických vlastností vláken na jejich směrovém uspořádání a fázovém složení (především přítomnosti hydroxyapatitových částic). Směrové uspořádání vláken přispělo k výraznému zlepšení napětí při přetržení a celkové tažnosti. Zajímavý jev byl pozorován v případě kompozitních vláken– hydroxyapatitové částice zhoršily mechanické vlastnosti neuspořádaných vláken (napětí při přetržení a celkovou tažnost), ale vliv částic nebyl tak patrný v případě směrově uspořádaných vláken. Povrchové vlastnosti vláken byly modifikovány prostřednictvím nízkoteplotní plazmy. Změny povrchových vlastností vláken byly analyzovány pomocí měření kontaktního úhli a XPS analýzy (rentgenové fotoelektronové spektroskopie). Měření kontaktního úhlu ukázalo výrazný vliv plazmového opracování na povrchovou smáčivost vláken, kdy kontaktní úhel byl zcela neměřitelný. Výsledky analýzy ukázaly vliv plazmového opracování struktur na mikroskopické úrovni – plazmové opracování ovlivnilo pouze polymerní složku vláknitých struktur, zatímco hydroxyapatitové částice nebyly ovlivněny vůbec. Na vybraných strukturách bylo provedeno několik biologických zkoušek. Test v simulovaném tělním roztoku prokázal bioaktivitu kompozitních (polykaprolaton/hydroxyapatit) nanovláken prostřednoctví precipitace fází na bázi fosforečnanů vápenatých na povrchu kompozitních struktur. Následné in-vitro buněčné testy (dle normy ISO 10993-5 a WST-8 test) prokázaly významný pozitivní přínos hydroxyapatitových částic ve vláknitých strukturách, stejně jako kladný vliv plazmového opracování, kdy kompozitní oplazmovaná vlákna vykazovala 1,5násobnou bioaktivitu v porovnání s neplazmovanými čistě polykaprolaktonovými vlákny.