Master's Thesis

Application of 3D Printing Technology for the Fabrication of Polysaccharide-Based Hydrogels

Final Thesis 1.92 MB

Author of thesis: Bc. Kateřina Kulíšková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jiří Smilek, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D.

Abstract:

This diploma thesis focuses on optimizing the thermal gelation of chitosan for extrusion 3D printing technology without the use of additional cross-linking agents. As part of the optimization of chitosan sol preparation in an alkaline solvent through, the influence of individual components (NaOH, urea,  and water) on the polymer dissolution through freeze- thaw cycles and its subsequent gelation was investigated. A high concentration of NaOH (2 mol/l), together with urea have positive effect on the dissolution of chitosan, while an increase in urea concentration raises the gelation temperature of the systems. The prepared chitosan sols were characterized by rheological measurements, which confirmed their pseudoplastic behavior, which is fundamental for smooth extrusion from the perspective of the 3D printing process. Since the gelled systems exhibited a sharp decrease in elastic modulus upon returning to laboratory temperature, attention was paid to the effect of solvent rinsing with deionized water on the mechanical properties of prepared hydrogels and which confirmed the need to remove the solvent in order to maintain high elasticity of hydrogels. Furthermore, the study evaluates the practical compatibility of the developed hydrogel with a commercially available extrusion 3D printer and highlights specific material challenges during the printing process itself. Based on the identified trends and rheological limits, the study proposes an optimal printing strategy utilizing direct extrusion into a heated bath.

Keywords:

polysaccharide hydrogels, chitosan, thermal gelation, rheology, 3D printing

Date of defence

21.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaCznamka

Grading

C

Process of defence

Obhajoba proběhla podle následujícího schématu: prezentace studentky-vyjádření vedoucí/ho-oponentský posudek-reakce na posudek-diskuse s komisí. Studentka přednesla dobrý výtah výsledků své diplomové práce, v odpovědích na dotazy oponentské i členů komise nebo v reakcích na připomínky k diplomové práci projevovala menší neznalosti. V diskusi tak studentka prokázala dobrou schopnost orientace v teoretických i praktických základech problematiky diplomové práce. Komise, s uvážením hodnocení v posudku a vyjádření vedoucí/ho, zhodnotila její diplomovou práci celkově jako dobrou. Dzik: Jaký je závěr pro další postup směrem k úspěšnému tisku chitosanového hydrogelu?

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Processes and Materials of Medical Applications (BF)

Composition of Committee

doc. PharmDr. Ing. Radka Ješinová, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Miloslav Pekař, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Dzik, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jiří Smilek, Ph.D.

Diplomová práce Kateřiny Kulíškové byla zaměřena na využití 3D tisku pro přípravu polysacharidových hydrogelů, přičemž jako modelový polysacharid byl zvolen chitosan. Téma práce je aktuální a odborně velmi zajímavé, zejména s ohledem na současný rozvoj hydrogelových systémů a aditivních výrobních technologií.

Bohužel je však nutné konstatovat, že stanovené cíle diplomové práce byly splněny pouze částečně. K vlastní realizaci 3D tisku chitosanových hydrogelů nedošlo a optimalizace metodiky 3D tisku byla provedena pouze v omezeném rozsahu. Předložená práce tak nenaplňuje zadání v plném rozsahu, zejména v experimentální části.

Za zásadní problém považuji především velmi omezenou komunikaci studentky během letního semestru. Po většinu semestru neprobíhaly pravidelné konzultace a studentka se s výsledky své práce ozvala až přibližně dva týdny před termínem odevzdání diplomové práce. Tato skutečnost významně ovlivnila možnost průběžné kontroly, odborné diskuse i případné korekce směru řešení. Zároveň nebylo možné realizovat některé experimenty, na jejichž provedení panovala shoda již během zimního semestru. Je to o to větší škoda, že ze zkušeností z bakalářské práce vím, že Kateřina patří mezi velmi pečlivé a svědomité studentky, které mají na svou práci vysoké nároky. Domnívám se, že právě snaha dosáhnout co nejlepšího výsledku a obava z nesplnění původních představ mohly vést k postupnému omezení komunikace a odkládání konzultací, což se bohužel negativně projevilo na kvalitě diplomové práce a jejím směřování.

I přes uvedené nedostatky je potřeba ocenit některé pozitivní stránky práce. Studentka prokázala schopnost pracovat s odbornou literaturou a zpracovat kvalitní rešeršní část zaměřenou na současný stav problematiky. Rovněž interpretace dosažených výsledků a celkové formální zpracování práce jsou na dobré úrovni. Je patrné, že studentka má pro odbornou práci předpoklady, avšak v tomto případě negativně zapůsobilo nedostatečné průběžné konzultování a absence otevřené komunikace o vzniklých problémech.

S ohledem na výše uvedené skutečnosti hodnotím diplomovou práci známkou „C – dobře“. Zároveň věřím, že tato zkušenost bude pro studentku důležitým ponaučením do budoucí profesní i odborné praxe, zejména v tom směru, že v případě komplikací je vždy lepší situaci aktivně komunikovat a řešit průběžně, než ji nechat dojít do stavu, kdy již není možné některé problémy adekvátně napravit.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání D
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury C
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Závěry práce a jejich formulace B
Využívání konzultací při řešení práce D
Celkový přístup k řešení úkolů C

Grade proposed by supervisor: C

Bc. Kateřina Kulíšková vypracovala předloženou diplomovou práci na téma Využití technologie 3D tisku pro přípravu polysacharidových hydrogelů. Zvolené téma je aktuální, odborně zajímavé a dobře koresponduje se zaměřením studijního programu diplomantky. Úkolem studentky bylo na základě literární rešerše navrhnout a realizovat systematickou optimalizační studii 3D tiskového procesu hydrogelu na bázi vybraného polysacharidu.

Práce má standardní rozsah (49 stran bez seznamu literatury a dalších formálních náležitostí) a je zpracována čtivou formou s minimem stylistických a formálních nedostatků, které jsou uvedeny v závěru posudku. Teoretická část dokládá dostatečný vhled autorky do řešené problematiky. Za dílčí nedostatek lze považovat skutečnost, že v části věnované hydrogelům se autorka soustředí výhradně na polymerní gely a opomíjí gely částicové, přestože i tyto materiály vykazují v oblasti 3D tisku značný aplikační potenciál. Další diskutabilní aspekt teoretické části souvisí s otázkou k obhajobě č. 1.

Na teoretickou část logicky navazuje kapitola Současný stav řešené problematiky, v níž autorka předkládá cílenou literární rešerši zaměřenou na 3D tisk chitosanu jako polysacharidu zvoleného pro vlastní experimentální práci. Takto koncipovaný úvod představuje kvalitní východisko pro návrh a realizaci experimentální části diplomové práce.
Za hlavní limit předložené práce lze považovat skutečnost, že experimentální studie zůstala převážně ve fázi optimalizace složení a tokových vlastností tiskového inkoustu, aniž by došlo k vlastnímu experimentálnímu ověření tisknutelnosti navržených kompozic. Na druhou stranu je třeba ocenit, že autorka experimenty navrhla a realizovala logicky, systematicky a v odpovídajícím rozsahu i hloubce. V rámci práce tak shromáždila poměrně rozsáhlý soubor originálních dat, která mohou být cenným podkladem pro navazující optimalizační kroky a která v některých případech (viz otázky k obhajobě) přinášejí i překvapivé a aplikačně zajímavé poznatky.

Předložená diplomová práce Bc. Kateřiny Kulíškové sice vzhledem k absenci experimentů zaměřených na ověření tisknutelnosti navrženého inkoustu a optimalizaci technologických parametrů samotného tiskového procesu naplnila cíle definované v zadání pouze částečně, přesto se domnívám, že část práce věnovaná optimalizaci kompozice tiskového inkoustu představuje hodnotný soubor originálních výsledků. Jejich získáním, kvalitní diskusí i interpretací autorka prokázala schopnost samostatné tvůrčí práce. Diplomovou práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm „Velmi dobře (B)“.

Formální a jazykové připomínky:
• Pozor na nevhodnou interpunkci (např. v abstraktu: „V rámci optimalizace přípravy, byl prozkoumán…“).
• Str. 7, odst. 4: nedokončená věta („…na optimalizaci samotné přípravy chitosanového.“).
• Nejednotný formát jednotek (např. chybějící index v popisku tabulky 1 či nejednotné použití kurzívy u jednotek v rovnicích).
• Nejednotné používání termínů „extruzní“ a „extrusní“ tisk (str. 28).
• Nevhodné používání anglicismů („fokus práce“, „termální gelace“) a stylisticky neobratných formulací („rešeršovaná literatura“).
• Data v grafech 34 a 35 do značné míry duplikují informace uvedené v grafech 32 a 33.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání C
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace B
Úroveň jazykového zpracování B
Formální úroveň práce – celkový dojem B
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. 1. Může autorka v rámci obhajoby blíže vysvětlit tixotropní a reopektické chování viskoelastických materiálů a na základě toho zhodnotit, zda je toto chování vhodně ilustrováno tokovými křivkami na obr. 7?
  2. 2. Jak je definován dosah sil prezentovaný v tab. 1?
  3. 3. Může autorka v rámci obhajoby blíže vysvětlit roli močoviny v tiskovém inkoustu? Souvisí tato role se schopností močoviny tvořit silné vodíkové vazby, která se projevuje například jejími výraznými denaturačními účinky? Co je o této funkci močoviny známo z literatury a jak autorka pohled vytvořený na základě literární rešerše upravila či doplnila na základě vlastních experimentálních poznatků?
  4. 4. Jako mimořádně zajímavá se jeví teplotní citlivost kompozic s močovinou, kdy se hydrogely vytvořené při zvýšené teplotě při ochlazení na laboratorní teplotu „roztékají“. Autorka tuto skutečnost interpretuje především jako komplikaci pro tiskový proces. Zamyslela se však diplomantka nad možností jiného aplikačního využití této vlastnosti, například s ohledem na skutečnost, že teplotu gelace lze přídavkem močoviny upravit do rozmezí blízkého tělesné teplotě (viz obr. 25 a 26)?
  5. 5. Autorka v práci zdůrazňuje špatnou kompatibilitu hliníkové konstrukce tiskové hlavy s vyvíjenou kompozicí tiskového inkoustu. Zvážila možnosti, jak tuto kompatibilitu zvýšit bez nutnosti výměny materiálu tiskové hlavy, například použitím inhibitorů koroze nebo organických alkálií?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová