MELČOVÁ, V. Mechanismy a kinetika reakcí poly(3-hydroxybutyrátu) [online]. Brno: Vysoké učení technické v Brně. Fakulta chemická. 2022.
Veronika Melčová je velmi aktivní, komunikativní a zodpovědný člověk. Její schopnosti vzdělávat se v oblasti materiálové chemie spolu s vrozeným pedagogickým talentem byly obrovským přínosem pro výuku praktika z kompozitních materiálů a praktika ze struktury a vlastností polymerů, jejíchž výuky se po celou dobu studia ochotně dobrovolně účastnila. Organizační a manažerské dovednosti spolu s perfektní angličtinou pak využila při koordinaci zahraniční spolupráce naší výzkumné skupiny se společností Nafigate corp. v rámci evropských projektů. Její rychlý rozvoj v těchto dovednostech spolu s její nativní precizností umožnil pověřit jí koordinací Horizon projektu BioSupPack za FCH, čehož se zhostila na výbornou. Zapojila se také velmi aktivně do téměř všech výzkumných a vývojových projektů naší skupiny. Podílela se velkou měrou na vedení 5-ti závěrečných prací. Účastnila se většiny propagačních akci fakulty. Její plné nasazení v těchto rolích však spolu s epidemii COVID způsobily zpoždění plánovaných činností v rámci DSP. Nicméně poslední tři roky intenzivní experimentální práce vedly k dokončení předložené disertační práce. Veronika je hlavní autorkou 4 publikací, spoluautorkou několika dalších citovaných prací, prezentovala příspěvek na dvou mezinárodních konferencích. Byla oceněna cenou vědeckého výboru za příspěvek na konferenci Chemie je život 2020 a vyznamenána Cenou děkana za vynikající studijní výsledky v roce 2019 a 2020. Jsem proto přesvědčen, že splňuje požadavky na udělení titulu Ph.D.
Oponentský posudek disertační práce Ing. Veroniky Melčové Mechanisms and Kinetics of Poly(3-Hydroxybutyrate) Reactions a) Aktuálnost zvoleného tématu disertační práce Disertační práce Ing. Veroniky Melčové je koncipována jako ucelená studie popisující možnosti reaktivních modifikací poly(3-hydroxybutyrátu) (PHB) s ohledem na zvýšení aplikačního potenciálu tohoto polymerního materiálu, jehož obecně známou slabinou je nízká procesní stabilita. Pro vlastní modifikaci pomocí dvou-, tří- a poly-funkčních činidel byly zvoleny dva základní postupy: reaktivní modifikace polymerní taveniny a modifikace polymerního roztoku. Pro evaluaci dosažené změny procesní a termo-oxidační stability bylo využito termických, spektroskopických a reologických analýz spolu s popisem změny molekulové hmotnosti. Vedle toho byla u modifikovaných materiálů pomocí reologických analýz popsána degradační kinetika a pomocí in vitro testů ověřena případná změna biodegradabilních vlastností PHB. V tomto směru je možné konstatovat, že předložená disertační práce, která je v souladu s dlouhodobou koncepcí rozvoje školícího pracoviště a vhodně navazuje na předchozí řešená témata související se syntézou, modifikací a zpracováním biodegradovatelných polymerních materiálů, sleduje aktuálně žádanou oblast výzkumných aktivit potencionálně komerčně využitelných v celé řadě moderních průmyslových oborů (např. v obalovém, potravinářském, zdravotnickém, automobilovém průmyslu). b) Splnění stanovených cílů disertační práce Základní cíle disertační práce – studium procesní degradace PHB, návrh vhodné stabilizační modifikace a ověření jejího efektu pomocí vybraných analytických metod – jsou jasně a výstižně formulovány v kapitole 2 „Cíle“. Na základě provedených experimentů popsaných v kapitole 3 „Experimentální práce“ a diskuse a shrnutí získaných výsledků představených v kapitolách 4 a 5 „Výsledky a diskuse“ a „Shrnutí“ je možné konstatovat, že definované cíle byly adekvátně naplněny. c) Postup řešení a dosažené výsledky První část předložené práce tvoří literární rešerše stávajícího stavu sledované problematiky představujícího PHB, jeho morfologii, způsoby jeho degradace a doposud studované možnosti zvýšení jeho stability. Předložený přehled cituje celkem 109 literárních zdrojů, nicméně pouze limitované množství prací z posledních 5 let. V následující části práce jsou představeny vybrané materiály použité pro prodloužení či větvení při zpracovatelském procesu degradovaných makromolekulárních řetězců PHB, přičemž se jedná o dvou-, tří- a polyfunkční aditiva a sloučeniny na bázi isokyanátů, karbodiimidů, alkoholů a epoxidů. Dále jsou přehledně popsány jak vybrané způsoby modifikace PHB (zvolené procesní postupy a zpracovatelské podmínky), tak i postupy při přípravě dále charakterizovaných zkušebních vzorků. Pomocí použitých experimentálních analýz byly evaluovány vybrané materiálové vlastnosti – změny molekulové hmotnosti vyhodnocené pomocí gelové permeační chromatografie, změny chemického složení popsané pomocí infračervené spektroskopie, vliv termo-degradačních efektů na změny termických (diferenční kompenzační kalorimetrie - DSC, termogravimetrie - TGA) a zpracovatelských (zpracovatelská stabilita a reologické chování) vlastností. Dále bylo pomocí in vitro biodegradabilních testů v abiotickém prostředí fosfátového pufru a fosfátového pufru s přídavkem lipázy studován vliv provedených modifikací na biodegradační chování v tavenině modifikovaného PHB. Získané výsledky jsou předkládány srozumitelně v návaznosti na jednotlivé představované metody modifikace. Závěry vztahující se k jednotlivým způsobům modifikace sice popisují pozorované chování dosažených změn jednotlivých materiálových vlastností, nicméně s ohledem na získané nekoherentních závěry degradačních projevů (vliv koncentračních závislostí a metodologická srovnání použitých analýz) – změny krystalinity PHB materiálu, změny průběhu tání/krystalizace a skelného přechodu, změny molekulových hmotností, změny zpracovatelských a reologických charakteristik a biodegradačních závislostí – je obtížné identifikovat jednoznačná doporučení pro obecnější aplikační využití. d) Přínos pro praxi a rozvoj vědního oboru Disertační práce popisuje efektivitu potencionálních možností zvýšení procesní stability biodegradovatelného/kompostovatelného polymeru PHB. V tomto směru má neoddiskutovatelný přínos pro zvýšení aplikačního potenciálu biodegradovatelných plastů. Pro popis procesní stability byla použita metodika porovnávající změnu viskozitního chování, termických vlastností a molekulových hmotností, která jsou s výhodou obecně aplikovatelné i pro charakterizaci dalších v budoucnosti vyvíjených modifikací polymerních systémů postavených na PHB. e) Formální úprava a jazyková úroveň Předložená práce je napsaná v anglickém jazyku. Styl je srozumitelný a práce je přehledně členěna a získané výsledky jsou logicky předkládány. I když je v práci možné najít několik málo drobných formálních nedostatků (spojených zejména s uvedením citovaných literárních zdrojů), na celkové kvalitě této práce se tento fakt negativně nijak nepodepsal. Získané výsledky byly srozumitelně interpretovány a formulované závěry tak vytváří základ pro další efektivní rozšiřování aplikovatelnosti dostupných kompostovatelných polymerních systémů v průmyslové praxi. Nejednotnost v uvádění referencí by měla být důsledněji kontrolována. Ať již v rámci využívání citačního softwaru či jejich manuálního vkládání. Při diskusi výsledků některých analýz by bylo vhodné prezentovat definované chování pomocí představení celých křivek (např. DSC). Z důvodů absence grafických výsledků DSC křivek je obtížné hodnotit, jak efektivní bylo vyhodnocení teplot skelného přechodu definovaných na základě této analýzy. Jaké jsou další citlivější a často i vhodnější metody pro popis průběhu teplotních závislostí materiálových vlastností amorfní fáze. Disertační práce Ing. Veroniky Melčové obsahuje celou řadu užitečných informací o vlivu komerčně dostupných procesních stabilizátorů na degradační chování PHB v průběhu jeho zpracování. V tomto směru je možné předloženou práci s ohledem na současně sledované polymerní systémy bezpochyby považovat za aktuální a pro praktické využití velmi hodnotnou. Závěrem je možné konstatovat, že autorka prokázala jak schopnost plánování a provádění samostatné vědecké činnosti, tak i evaluace dosažených výsledků a tvůrčího formulování závěrů z nich plynoucích. Předložená disertační práce splňuje požadavky standardně kladené na tento typ práce v technických oborech. V návaznosti na tyto skutečnosti tak doporučuji Ing. Veronice Melčové, v případě úspěšné obhajoby disertační práce, udělit titul PhD. Ve Zlíně, 21. 11. 2022 doc. Ing. Tomáš Sedláček, PhD.
Dizertačná práca Ing. Veroniky Melčovej predstavuje štúdium degradácie poly(3-hydroxybutyrátu), kde sa modelujú podmienky procesu spracovania z taveniny. Vychádza zo sledovania degradácie pomocou parametrov, zahrňujúcich predovšetkým teplotu a reologické parametre mechanického namáhania, vrátane štúdia kinetiky degradácie pri spracovateľských teplotách. Takýto prístup bol zvolený s cieľom hľadania reaktívnych zlúčenín, schopných vyrovnávať negatívne účinky degradácie, typickej pre tento polymér v podmienkach jeho spracovania. Vybrané zlúčeniny predstavujú pomerne veľký súbor s rôznymi funkčnými skupinami, ako sú izokyanáty, karbodimidy, alkoholy a epoxidy. Pripravené zmesi sa podrobili tiež skúškam biologickej degradácie, využijúc enzymatické štiepenie lipázou a abiotickú degradáciu v tlmivom roztoku. Dizertačná práca obsahuje úvodom rešerš, ktorá je vecná a starostlivo logicky spracovaná. Uvádzajú sa údaje o kinetike kryštalizácie, morfológii PHB kryštalizovanej taveninou a roztokom, variácii morfológie kryštalickej štruktúry s teplotou kryštalizácie a hodnotenie niektorých termodynamických veličín. Pozornosť sa venuje degradačným procesom v rozmedzí 170 a 200 °C, čo sú typické spracovateľské teploty pre PHB, ktoré sa prejavia zmenou molekulovej hmotnosti a viskozity systému. V mechanizme degradácie sa poukazuje na náhodné štiepenie reťazca mechanizmom cis-eliminácie a súbežne na kondenzačné reakcie. Aj z rešerše vyplýva, že prevencii a potlačeniu účinkov rozsiahlej tepelnej degradácie PHB, alebo aspoň kompenzácii jej negatívnych účinkov, sa všeobecne venuje veľká pozornosť. Využívajú sa pritom tak reaktívne, ako aj nereaktívne metódy. Preto je predložená doktorská práca veľmi aktuálna a svojim pragmatickým zameraním aj vítaná. Pri stanovených cieľoch práce, pri ktorých sa charakterizovala kinetika termickej degradácie PHB počas spracovania s pridaním množstva vybraných činidiel v rôznych dávkach, si práca vyžiadala aj množstvo experimentov. V experimentálnej časti je zaujímavé, ako sa doktorandka vysporiadala s predprípravou vzoriek pre štúdium v tavenine. Bolo treba zvoliť podmienky pri hnetení v laboratórnom hnetači Brabender a pre mnohé kvapalné prísady, vzhľadom na vysokú teplotu, bolo treba uskutočniť reakcie v roztoku. Pritom predbežná degradácia v horúcom lise mala simulovať podmienky tepelného namáhania v hnetači. To tiež dokumentuje určitú erudíciu a skúsenosti zo spracovania plastov. Vzorky boli pripravené s množstvom aditíva vyjadreného ako molárne predávkovanie k reaktívnym karboxylovým skupinám koncov polyméru. Pri reakcii v roztoku bolo možné použiť až sto násobné molárne predávkovanie aditíva, pre konfrontáciu s nízkym dvojnásobným dávkovaním. Laboratórny hnetač pracujúci s malým množstvom vzorky umožnil priamo monitorovať krútiaci moment. Diskusia k výsledkom týchto meraní je pomerne obšírna a viedla k záveru, že pridanie niektorých sledovaných zlúčenín ukázalo hlboké zmeny v spracovateľskom krútiacom momente a výsledných vlastnostiach. Izokyanátové a karbodiimidové prísady boli najsľubnejšími bifunkčnými zástupcami pri 10-násobnom molárnom predávkovaní, zatiaľ čo v prípade hydroxylových a epoxidových zlúčenín najpozoruhodnejšie pozitívne hodnoty nameraných charakteristík dosiahli tri funkčné prísady v 2-násobnom predávkovaní. V práci možno vyzdvihnúť cielené využitie dvoch rôznych reologických testov pre charakterizáciu kinetiky degradácie PHB počas tepelného spracovania. Vedľa jednoduchého frekvenčného časového testu pre posúdenie rozdielov v stratách viskozity, to boli predovšetkým reologické merania pomocou štyroch po sebe nasledujúcich frekvenčných testoch. Tie poslúžili pri zjednocujúcom odhade kinetiky degradácie PHB s použitými prísadami. Pre degradačnú reakciu náhodného štiepenia sa použil model reakcie prvého rádu, čo umožnilo vypočítať nulovú teoretickú hodnotu komplexnej viskozity, keď ešte nedošlo k degradácii a faktor straty viskozity, ktorý charakterizuje pokles viskozity v čase. Tým bolo možné rozlíšiť príčinu zmeny viskozity a sledovať charakter podporného (reaktívneho) alebo degradačného účinku pridaných činidiel. Z výberu testovaných prísad sa pozitívnym reaktívnym vplyvom prejavili najmä polymérny karbodiimid Raschig 9000, hexametyléndiizokyanát, polyglycidylmetakrylát a polyhexametyléndiizokyanát. Tieto štyri činidlá boli schopné potlačiť rýchlosť degradácie PHB a ich účinok bol kvantifikovaný. Preto ak ide o odpoveď na prvú otázku, ktorou doktorandka definovala ciele práce (Je možné potlačiť tepelnú degradáciu poly(3-hydroxybutyrátu) počas spracovania?), tak tieto výsledky dávajú pozitívnu odpoveď a súčasne nabádajú, aby sa najzaujímavejším činidlám do budúcna venovalo detailnejšie štúdium. Na druhú nadväzujúcu cielenú otázku (Ak áno, ovplyvní to jeho biologickú odbúrateľnosť?) sa hľadala odpoveď realizáciou testov enzymatickej biologickej odbúrateľnosti lipázou a abiotickej degradácie v tlmivom roztoku s pH 7,4. Testy vzoriek pri 10-násobnej dávke pripravené v tavenine ukázali, že po troch mesiacoch okrem vzorky s hexametyléndiizokyanátom bol rozsah biodegradácie väčší pri lipáze ako v zásaditom tlmivom roztoku. To znamenalo, že pri reaktívnom spracovaní zostáva za týchto modelových podmienok schopnosť degradácie zachovaná. Z množstva experimentálneho materiálu a bohatej diskusie, mám na doktorandku tri otázky: 1. Pre prácu bol zosyntetizovaný polyglycidylmetakrylát (PGMA), ktorý sa ukázal ako účinné reaktívne činidlo. Pozorované zmeny kryštalizácie a krútiaceho momentu s jeho predávkovaním sa postupne menili výraznejšie. Pripravený PGMA mal pomerne vysokú molekulovú hmotnosť a je známe, že samotný sa taví pri oveľa vyšších teplotách, ako bola teplota hnetenia taveniny. Nemôže sa nekompatibilita polyméru s týmto činidlom v tavenine prejaviť pri uvedených experimentoch? 2. Glycerol už pri nízkom predávkovaní výrazne ovplyvnil krútiaci moment hnetenia a zvýšila sa aj molekulová hmotnosť polyméru oproti referenčnému polyméru. Pri glycerole a polyglycerole vykazuje PHB modifikácie v kryštalickej štruktúre, čo je popísané pri viacerých izotermických meraniach. Pri filmoch sa pozoruje zníženie mechanických vlastností, čo sa pripisuje prodegradačnému účinku a pozoruje sa aj exsudácia týchto prísad. Pravdepodobne pri týchto činidlách zmeny v reologických parametroch bude treba hodnotiť opatrne a súhlasím s konštatovaním doktorandky, že tieto prísady by bolo potrebné ďalej študovať. 3. Toto je skôr komentár. Lipáza je enzým, ktorý katalyzuje hydrolýzu esterovej väzby medzi glycerolom a mastnými kyselinami a je schopná štiepenia esterových väzieb PHB. V práci sa pre niektoré študované vzorky z nameraných údajov o číselnej priemernej molekulovej hmotnosti použila kinetika prvého rádu a vypočítala sa konštanta rýchlosti degradácie. Aj z týchto meraní chcem iba poukázať na možnosť využitia degradácie PHB lipázou pre kontrolovanú degradáciu. Štiepenie reťazca PHB katalyzované lipázou by sa tak dalo využiť na generovanie funkčných biopolymérov s nízkou molekulovou hmotnosťou so širokými farmaceutickými aplikáciami, napríklad pri uvoľňovaní liečiva. Na záver hodnotenia dizertačnej práce môžem konštatovať, že pomerne náročne zadané ciele práce s bohatým experimentálnym materiálom, dokázala Ing. Veronika Melčová interpretovať na veľmi dobrej úrovni. Oceniť pritom treba aj formálnu časť práce s jednotlivými diskutovanými experimentmi podanými v logickom a prehľadnom usporiadaní. Práca spĺňa legislatívne podmienky, kladené na doktorskú dizertačnú prácu a doktorandka ňou preukázala tvorivé schopnosti a schopnosti vedecky pracovať v oblasti makromolekulovej chémie. Na základe uvedených skutočností odporúčam, aby po úspešnej obhajobe tejto práce bol Ing. Veronike Melčovej podľa príslušnej vyhlášky zákona udelený akademický titul „PhD“ „philosophiae doctor“ Bratislava 13. Novembra 2022 prof. Ing. Dušan Bakoš, DrSc.
eVSKP id 148625