Browse
Recent Submissions
- ItemFunkční mikrorobotické systémy(Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, ) Oral, Çaatay Mert; Pumera, Martin; Mayorga Burrezo, Paula; Shahsavan, HamedMalí roboti schopní pohybu, detekce a interakce mohou mít zásadní vliv na biomedicínské a environmentální aplikace. Aby však bylo možné úspěšně dokončit stanovené úkoly, vyžadují malí robotí funkční komponenty kompatibilní s provozními podmínkami. V této práci vyvíjíme různé chemicky a externě napájené mikroroboty s funkčními součástmi pro sanaci vody a cílené zobrazování. Nejprve zkoumáme vliv vlastností částic na pohon hybridních mikrorobotů poháněných chemicky/světlem—demonstrujeme řízení rychlosti na vyžádání pomocí vestavěné optické brzdy. Poté využíváme samohybné mikroroboty k odstraňování kontaminantů, jako jsou antibiotika a nitroaromatické sloučeniny, překonáním reakcí omezených difuzí. Výsledky ukazují, že schopnost mikrorobotů odstraňovat kontaminanty lze zvýšit pomocí zabudovaných funkčních komponent, například fotoaktivních materiálů a enzymů. Jako další typ procesu sanace vody studujeme kolektivní chování povrchově funkčních magnetických mikrorobotů k zachycování volně plovoucích bakterií a mikroplastů za působení vnějších magnetických polí. Poté, co tuto kapitolu uzavřeme diskusí o klíčových výzvách směřujících k využití mikrorobotů pro sanaci vody, představíme magneticky řízené systémy pro cílené zobrazovací aplikace. Ukazujeme, že konvenční kontrastní látka může být vybavena magnetickými vlastnostmi, které umožňují vnější kontrolu v různých scénářích. Pokusy na zvířatech ukazují na lokalizaci robotických kontrastních látek v gastrointestinálním traktu myší za účelem vizualizace jeho trojrozměrné struktury pomocí rentgenové mikropočítačové tomografie. Kromě toho vyvíjíme organické mikroroboty reagující na pH s magnetickou odezvou a vlastní multifluorescencí. Za fyziologicky relevantních podmínek tito mikroroboti vykazují jedinečnou schopnost přepínání fluorescence při různých hodnotách pH, což umožňuje sledování kyselosti žaludku v cílových místech. Tyto výsledky naznačují, že inteligentní zobrazovací prostředky lze upravit tak, aby umožňovaly nevázanou ovladatelnost s cílem rozšířit možnosti běžných diagnostických přístupů založených na zobrazování. Po diskusi o klíčových výzvách, které je třeba řešit před převedením mikrorobotů do klinické praxe, shrnujeme v poslední kapitole hlavní poznatky práce. Celkově funkční mikrorobotické systémy představené v této práci naznačují slibné vlastnosti pro aplikace v dynamických a komplexních scénářích jako aktivní systémy.
- ItemSpojení statistické fyziky a technik strojového učení s důrazem na aplikace pro spektroskopická data(Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, ) Vrábel, Jakub; Kaiser, Jozef; Suominen, Pekka; Azevedo Silva, Nuno MiguelTato práce zkoumá obousměrný vztah mezi fyzikou a strojovým učením, a to jak v oblasti fundamentálního poznání, tak v oblasti praktických aplikací. Přestože strojové učení, a zejména hluboké učení, dosáhlo pozoruhodných úspěchů ve všech vědeckých oblastech, absence interpretovatelnosti modelů hlubokého učení zůstává zásadní překážkou skutečného vědeckého pokroku. Pojednávám o tom, jak může fyzika přispět ke strojovému učení prostřednictvím dvou komplementárních přístupů: poskytováním struktur pro teoretické pochopení systémů hlubokého učení a inspirováním nových algoritmů. V obrácené roli přezkoumávám a ukazuji, jak může hluboké učení řešit výzvy ve fyzikálních vědách, zejména ve spektroskopii, a jak profituje ze zakomponování fyzikou inspirovaných mechanismů. Hlavní přínosy této práce se dělí do tří směrů. Zaprvé, rozvíjím empirické a teoretické chápání neuronových sítí s využitím konceptů z vysokorozměrné geometrie a teorie perkolace a nabízím tak vhled do nového jevu zvaného Input Space Mode Connectivity. Zadruhé, vyvíjím fyzikou inspirovanou metodu učení, která zahrnuje induktivní tendence respektující procesy generování dat ve spektroskopii, což vede k lepší interpretovatelnosti. Zatřetí aplikuji metody hlubokého učení na analýzu spektroskopických dat se zaměřením na spektroskopii laserem buzeného plazmatu (LIBS), kde demonstruji aplikace a zlepšuji analytické schopnosti ve spracování dat.
- ItemTermosenzitivní hydrogely pro buněčné aplikace(Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, ) Dzurov, Matej; Vojtová, Lucy; Baudis, Stefan; Kroneková, ZuzanaTato disertační práce se zaměřuje na teplocitlivé kopolymery tvořící hydrogely a jejich využití ve specializovaných aplikacích souvisejících s buňkami, jako je imobilizace buněk v propustných hydrogelových matricích a trojrozměrná (3D) kultivace buněk, s důrazem na udržení vysoké buněčné viability v průběhu času. Práce začíná přehledem současného stavu poznání v oblasti chemie hydrogelů, zkoumá základy zesíťování, syntézy a významné příklady používané ve výzkumu a laboratorní praxi. Dále identifikuje výhody a omezení stávajících materiálů a stanovuje jasné cíle pro zlepšení jejich vlastností tak, aby byly překonány současné nedostatky. Kapitola 3 zkoumá teplocitlivé triblokové kopolymery složené z monomerů laktidu, glykolidu a polyethylenglykolu jako imobilizační matrice pro bioreaktorem asistované in-cell NMR aplikace ve strukturní biologii. Studie prezentuje data, která ukazují, že tyto kopolymery vykazují srovnatelné chování se současně používanými materiály, a navíc umožňují reverzibilní uvolnění buněk po NMR experimentech. Tato schopnost usnadňuje následné analýzy, což umožňuje získat kompletní metabolický profil a posoudit buněčnou vitalitu před i po experimentu. Kapitola 4 zkoumá teplocitilivé kopolymerní systémy na bázi poly(N-isopropylakrylamidu) a polyethylenglykolu v triblokové a diblokové topologii a také kombinace jejich vodných roztoků. Jako modifikační činidlo byl syntetizován konjugát polymeru s buněčně adhezivním peptidem a následně hodnocen jeho vliv na efektivitu 3D kultivace buněk v navrženém hydrogelovém systému. Zjištění potvrzují, že tento kopolymerní systém podporuje 3D růst buněk HEK293T při zachování vysoké buněčné životaschopnosti. Navíc systém umožňuje snadné teplotně indukované uvolnění buněk. Inkorporace konjugátu s buněčně adhezivním peptidem rovněž zlepšuje velikost a kvalitu struktur vytvořených v hydrogelové matrici. Tento výzkum posouvá poznání a využití teplocitlivých hydrogelů pro aplikace v oblasti specializované kultivace a imobilizace buněk. Poskytuje nové řešení výzev v oblasti použití materiálů, životaschopnosti buněk a experimentální flexibility.
- ItemNosiče buněk připravené chemickou modifikací polysacharidů(Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, ) Vishakha, Vishakha; Jančář, Josef; Šárka, Evžen; Lehocký, MariánTato Ph.D. práce se zaměřuje na výzkum, výrobu a optimalizaci podmínek pro přípravu nanokompozitního hydrogelu na bázi karboxymethylškrobu/nanočástic selenu (SeNPs) zelenou technologií. První část představuje několik metod uváděných v literatuře pro chemicky modifikované polysacharidy a popisuje především škrobové a celulózové polysacharidy. Dále byla diskutována příprava SeNP za použití různých biopolymerů a role hydrogelu pro hojení kožních ran. Druhá část se zaměřuje na velkou experimentální část. Pro přípravu CMS jsme se zaměřili na jednu modifikační metodu, která využívala Williamsonovu syntézu etherů. Pro přípravu nanočástic selenu pomocí CMS byly použity dvě techniky. Nejprve byly vyrobeny nanočástice selenu s použitím kyseliny askorbové jako redukčního činidla a CMS jako uzavíracího činidla. Druhá hydrotermální technika slouží k přípravě selenových nanostruktur (tyčinek, koulí), kde se jako redukční činidlo používá CMS. Nakonec PVA a CMS s adekvátním množstvím připravených nanočástic selenu pro přípravu hydrogelu metodou zmrazení-rozmrazení. Závěrečná část se zaměřuje na výsledky a diskusi. Stupeň substituce CMS byl diskutován pomocí NMR a titrací, následoval vliv stupně substituce na velikost nanočástic selenu a vliv koncentrace kyseliny askorbové, seleničitanu sodného a procenta CMS na velikost nanočástic. Diskuse fyzikálních parametrů velikosti nanostruktur selenu pomocí hydrotermálních metod, jako je vliv času, vliv koncentrace seleničitanu sodného a vliv teploty. Dále byla rozpracována diskuse o post-studii připravených nanočástic selenu. Po diskusi o nanočásticích selenu byl studován vliv koncentrace PVA: CMS a koncentrace nanočástic selenu na vlastnosti hydrogelu.
- ItemMikro a nanoroboti na bázi fotokatalytických materiálů pro environmentální a biomedicínské aplikace(Vysoké učení technické v Brně. CEITEC VUT, ) Peng, Xia; Pumera, Martin; Mayorga Burrezo, Paula; Escarpa Miguel, Alberto EscarpaMéně než 1 % z celkových světových zásob sladké vody na Zemi je snadno dostupných. Rostoucí industrializace, populační expanze a změny klimatických vzorců dále zhoršují nedostatek čisté vody. Stávající metody čištění a úpravy vody jsou jen částečně účinné při odstraňování většiny kontaminantů, přičemž často produkují toxické vedlejší produkty, které se dostávají do okolního prostředí. Tyto problémy lze řešit použitím samořízených kolektivních mikro- a nanoskopických umělých robotů, kteří představují slibnou a realizovatelnou alternativu ke zlepšení monitorování a čištěni vody. Tím překonávají limity difúzních reakcí a zvyšují interakce s konkrétními cílovými znečišťujícími látkami, včetně organických znečišťovatelů a nano-/mikroplastů. Tato práce se zabývala samořízenými mikroroboty pro řešení různých environmentálních problémů. Jednosložkové WO3 mikroroboty a Janus hematit/Pt mikroroboty byly postupně prokázány jako účinné při degradaci výbušných kontaminantů ve vodě díky zlepšenému pohonu a opakovatelnosti použití, aniž by produkovaly nebezpečné vedlejší produkty. Světlem řízené mikroboty na bázi ZnFe2O4 vykazovaly účinné ošetření biofilmů fotodegradací a fyzikální erozí. Mikro/nanoplasty se stávají vážným environmentálním problémem, který může ohrozit lidské zdraví. Mikroroboty na bázi řas byly funkčně upraveny pro efektivní odstranění mikro-/nanoplastů prostřednictvím elektrostatické interakce. Kolektivní chování mikrorobotů, které překonává individuální schopnosti, také hraje klíčovou roli při spolupráci na environmentální sanaci. Poprvé bylo dosaženo rojení kubických hematitových mikrorobotů do mikrořetězců díky mimoosé orientaci dipólového momentu. Tyto inteligentní mikrořetězce byly úspěšně použity k manipulaci s objekty v malém měřítku a k rozpadu polymerních řetězců. Ačkoliv byla provedena rozsáhlá šetření týkající se fotokatalytických mikrorobotů s bezdrátovým a kontrolovatelným pohybem indukovaným světlem, jejich potenciál v kontextu léčby rakoviny prostřednictvím fotodynamické terapie (PDT) je třeba dále studovat. Zvýšená přítomnost antioxidantů v mikroprostředí nádoru může snižovat hladinu reaktivních forem kyslíku (ROS), a tím omezovat účinnost terapeutických zásahů při léčbě rakoviny. V této souvislosti jsou zde navrženi dendriticky tvarovaní mikroroboti složení ze světlem řízeného hematitu s fototaxí jako efektivním prostředkem, kteří prokazují schopnost indukovat apoptózu buněk rakoviny prostaty, čímž významně zvyšují celkovou účinnost PDT. Kromě toho tyto hematitové mikroroboty umožňují všestrannou manipulaci své trajektorie podél předem definované dráhy prostřednictvím aplikace externího magnetického pole, což usnadňuje bezkontaktní transport mikroskopických buněk. Navržení dendriticky tvarovaní hematitoví mikroroboti tak otevírají cestu k rozvoji bimodálních mikrorobotů poháněných světlem a magnetickým polem, kteří mají značný potenciál pro aplikace v oblasti biomedicíny.