Master's Thesis

Preparation and characterization of mechanical properties of 3D printed polymer-ceramic hybrid composite bone scaffolds

Author of thesis: Bc. Vojtěch Skoumal

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Přemysl Menčík, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Jan Žídek, Ph.D.

Abstract:

The diploma thesis deals with 3D printing of hybrid bone cement scaffolds for tissue engineering and with the determination of their mechanical properties. A hybrid cement/gel composite refers to a scaffold made of hardened bone cement that contains artificially created cavities filled with a gel in which cells can survive and proliferate. In theoretical part, cleft palate is described, including methods of 3D printing, material characterization, and standards. Two methods of preparation were used, 3D printing of cement/gel hybrid samples by pneumatic extrusion and 3D printing of empty cement samples by screw-controlled extrusion and their subsequent filling with gel, because the printer only prints one material at the time. Three sample infill patterns were selected: rectilinear, honeycomb, and gyroid. Mechanical test was executed, in additional screening methods, optical and scanning electron microscopy. The mechanical tests results were evaluated, and the surprise were results primarily of honeycomb samples, which do not correspond with reference to plastic samples. Another unexpected finding was the comparison of the compressive strength of samples with and without gel. The most suitable infill pattern for printing hybrid cement samples was identified.

Keywords:

Hybrid bone cement, direct-ink writing, elastic gradient, bone tissue engineering, cleft palate.

Date of defence

01.06.2026

Date of publish

31.05.2029

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student v rámci obhajoby práce Příprava a charakterizace mechanických vlastností 3D tištěných polymer-keramických hybridních kompozitních kostních nosičů nejdříve seznámil komisi s motivací své práce, použitými materiály, postupem přípravy vzorku, návrhem vzorku, 3D tisku vzorku a použitými metodami tisku a struktury řezu vzorku. Následně ukázal výsledky hmotnostního stanovení, mechanického testu, pevnosi v tlaku a adheze gelu k cementu. Následně odpovídal na otázky oponenta: 1) Zkoumal jste, zda v intervalu, kde měříte elastický gradient již nedojde k porušení materiálů například separaci jednotlivých tištěných vrstev? Jak byste to zjistil? 2) S jakým záměrem zkoumáte mechaniku těch materiálů ve vztahu k rozštěpu? Jinými slovy, jak znalost mechaniky může přispět k úspěšnosti léčení rozštěpu? 1) Nezkoušeli jste rozvinout variantu hybridní cement/gel? 2) Jak funguje nízkovakuový mikroskop? Na dané otázky student výborně odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Chemistry and Technology of Materials (NPCP_CHTM)

Composition of Committee

doc. Ing. František Šoukal, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Jaromír Havlica, DrSc. (člen)
prof. Ing. Petr Ptáček, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Lucy Vojtová, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Josef Jančář, CSc. (člen)
Ing. Jiří Pác (člen)
Ing. Jiří Lerch (člen)

Supervisor’s report
Ing. Přemysl Menčík, Ph.D.

Student se ve své práci věnuje metodice testování mechanických vlastností v tlaku hybridních cement-gelových scafoldů pro tkáňové inženýrství. Pro toto téma byla zpracována obsáhlá rešerše o testování mechanických vlastností scafoldů i s přesahem do problematiky rychlosti jejich resorpce a potenciální aplikaci při léčbě rozštěpů. Této oblasti se však již práce z kapacitních důvodů nevěnuje a není tedy ani součástí zadání.
Ze získaných poznatků a v návaznosti na svou bakalářskou práci student prokázal významnou znalost problematiky mechanického testování. Práce je v této oblasti na vysoké úrovni a proto v některých případech vysvětlení měřícího procesu vysvětleno mírně zkráceně. Výsledky a vyvozené závěry jsou však velmi dobře formulovány.
Student prokázal vysokou úroveň samostatnosti při práci v laboratoři a to od návrhu experimentu, přes návrh a tvorbu vlastních pomocných zařízení až po přípravu vzorků a jejich měření. Student v odpovídající míře využíval konzultací a měřením na nestandardních přístrojích (stolní SEM) rozšířil portfolio svých dovedností.
S prací studenta jsem zcela spokojen a práci doporučuji k obhajobě se stupněm hodnocení A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury B
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Jan Žídek, Ph.D.

Práce obsahuje rozsáhlý soubor experimentálních dat a prezentuje poměrně komplexní a zajímavou experimentální činnost. Text je zpracován na dobré odborné úrovni, je přehledný a čtivý. Je zřejmé, že student věnoval zpracování práce značné úsilí, důkladně prostudoval relevantní problematiku a realizoval rozsáhlou experimentální část.

Nicméně práci lze vytknout určité nedostatky. 

Za první podstatnější nedostatek práce považuji nesoulad mezi teoretickou a praktickou částí. V teoretické části student uvádí jako hlavní motivaci problematiku léčby rozštěpu, zatímco praktická část je zaměřena především na analýzu mechanické odezvy 3D tištěných materiálů v závislosti na typu výplně. Obě témata jsou bezesporu velmi zajímavá a odborně relevantní, jejich propojení však práci neumožňuje dostatečně propojit teoretické poznatky a experimentální data. To následně omezuje možnost hlubší diskuse výsledků ve vztahu k uvedené teorii. V případě zaměření na problematiku rozštěpu by bylo vhodné podrobněji rozebrat, které mechanické vlastnosti materiálů mohou ovlivňovat léčbu či regeneraci tkáně. Student sice zmiňuje význam porézní struktury z hlediska podpory růstu buněk, samotná experimentální část je však orientována převážně na mechanické charakteristiky materiálů. Pokud by naopak byla práce koncipována jako studie mechanických vlastností, bylo by vhodné více diskutovat teoretické modely a poznatky z literatury týkající se různých typů výplní používaných při 3D tisku.

Další nedostatek práce spočívá v použití nepřesného popisu metodiky a terminologie. To následně snižuje přehlednost a ztěžuje pochopení jaká byla koncepce zvolená pro měření mechanických vlastností materiálů.

První nejasnost se týká Obrázku 25, který je celý označen v popisku jako „Plateau stress“, přestože ve skutečnosti zobrazuje kompresní křivku. Plateau stress však představuje pouze specifickou část této křivky. Jaká část křivky odpovídá tomu plateau stresu? Tato oblast by měla být podle definice interval napětí po zhroucení buněčné struktury, avšak ještě před dosažením densifikace materiálu. Lze ji chápat jako oblast po překročení meze koheze mřížkové struktury, kdy již dochází ke kolapsu mřížky, avšak materiál ještě není plně zhutněn. Před dosažením této meze se předpokládá, že struktura mřížky zůstává mechanicky konzistentní. V oblasti plateau materiál vykazuje přibližně konstantní hodnotu napětí i při narůstající deformaci.

Z předložené práce však není zřejmé, ve které části jednotlivých křivek byla oblast plateau identifikována. Z tohoto důvodu není dostatečně vysvětlen ani postup stanovení hodnot uvedených v Tabulce 1. Současně není jasné, proč jsou pro každý materiál uvedeny dvě hodnoty ani jaký je jejich vzájemný význam a rozdíl.

Pro mne jako čtenáře byl trochu hádankou způsob určení intervalu pro výpočet elastického gradientu. Z práce vyplývá, že jednotlivé materiály mají odlišné intervaly, ve kterých je elastický gradient stanovován. Přestože lze předpokládat, že metodika vychází z příslušné normy ČSN, práce by měla všechny podstatné kroky a definice explicitně uvádět, aby byl postup jednoznačný a reprodukovatelný. Z kompresních křivek uvedených v doplňkovém materiálu (Attachment 1–4) lze usuzovat, že interval pro určení elastického gradientu byl pravděpodobně odvozen z oblasti plateau stress. Tato oblast však není v práci jednoznačně definována (viz předchozí připomínka). Současně není uvedeno, v jaké konkrétní části daného intervalu byla stanovována směrnice křivky odpovídající elastickému gradientu.

Jedná se přitom o parametry, které mohou významně ovlivnit výslednou hodnotu elastického gradientu. Pokud by stejná data vyhodnocoval jiný hodnotitel, mohl by při odlišném určení intervalu nebo způsobu výpočtu dojít k odlišným výsledkům. Přesnější a detailnější popis metodiky by tomuto problému předešel a zvýšil by reprodukovatelnost i celkovou přesnost práce.

Pak už jen drobnost v metodice. Mělo by být uvedeno, že při výpočtu napětí ze síly se započítává i plocha pórů.

Angličtina je přiměřeně kvalitní až na mírné překlepy a zapomenuté gramatické nesrovnalosti, které se vždy objeví. Například „adsosrbed“, strana 38, odstavec1, Nebo ve větě „the surprise were results“ se výraz surprise musí považovat za podmět. Zvláště pokud je s určitým členem. Pak ale má věta podmět  v jednotném a přísudek v množném čísle.

Jedná se o jednu z prvních samostatných prací studenta. Výše uvedené nedostatky se v diplomových pracích vyskytují. Vzhledem k tomu, že to bylo vyváženo rozsahem práce a nastudované tématiky hodnotím stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování B
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace B
Topics for thesis defence:
  1. Zkoumal jste, zda v intervalu, kde měříte elastický gradient již nedojde k porušení materiálů například separaci jednotlivých tištěných vrstev? Jak byste to zjistil?
  2. S jakým záměrem zkoumáte mechaniku těch materiálů ve vztahu k rozštěpu? Jinými slovy, jak znalost mechaniky může přispět k úspěšnosti léčení rozštěpu?

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

Publication of the bachelor thesis, or its part - the chapter "experimental part" is postponed in accordance with the provisions of § 47b paragraph 4 of Act No. 111/1998 Coll., on universities. The reason for postponing the publication is the fact that the bachelor thesis, or its part - the chapter "experimental part" contains information protected by special

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová