Master's Thesis

Plasma treated 3D printed materials for biomedical models

Final Thesis 1.88 MB Appendix 115.19 kB

Author of thesis: Bc. Michal Žitný

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. Zdenka Kozáková, Ph.D.

Reviewer: Ing. Veronika Odehnalová, Ph.D.

Abstract:

The subject of this diploma thesis is the 3D printing of commonly available polymers and the modification of their surfaces using low‑temperature plasma, intending to develop materials suitable for biomedical models on which decontamination procedures can be studied. The polymers investigated in this work include polypropylene (PP), acrylonitrile butadiene styrene (ABS), and thermoplastic polyurethane (TPU), which were fabricated by the FDM method in both planar and three‑dimensional forms.
Within this thesis, the surfaces of the polymers were modified using dielectric barrier discharge (DBD) plasma and a microwave argon plasma jet. Changes in surface properties were analyzed by measuring the contact angles of water, ethylene glycol, and diiodomethane, followed by the calculation of surface free energy components. The time stability of plasma‑induced surface modifications under laboratory conditions was also investigated, and the influence of surface morphology resulting from the 3D printing process and selected printing parameters was evaluated.
The results demonstrated that plasma treatment led to a significant decrease in the water contact angle for all studied polymers and to an increase in surface polarity, indicating enhanced wettability and potentially improved biocompatibility. The most pronounced effect on smooth surfaces was observed for ABS, whereas when surface texturing was taken into account, the strongest effect was detected for TPU samples. Good short‑term stability of the surface modifications was confirmed for PP and ABS, although slight surface aging was observed for ABS within the studied time frame. The effectiveness of plasma treatment for more complex 3D structures was strongly influenced by sample geometry and the type of plasma source used.
The thesis also investigated the effect of the presence of polymer plates, both untreated and plasma‑treated, on the growth of Staphylococcus epidermidis in liquid culture. During a two‑week cultivation period, no significant differences in bacterial growth were observed compared to control samples, indicating the biological inertness of the studied polymers with respect to the planktonic growth of S. epidermidis.
The obtained results confirm that low‑temperature plasma is an effective tool for the targeted modification of surface properties of 3D‑printed polymers without either negative or positive effects on bacterial growth, and that these materials can serve as suitable model systems for studying plasma decontamination procedures.

Keywords:

Polymers, 3D printing, plasma modification of surfaces, contact angle, free surface energy, biocompatibility

Date of defence

27.05.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Student seznámil členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Student akceptoval všechny připomínky oponentky a na všechny otázky odpověděl v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Jakým způsobem byl měřen kontaktní úhel v 3D ruličce? Byly testovány materiály i s bakteriálními kulturami? Z jakého důvodu jste nepoužíval gram negativní bakterie? Jaký význam pro praktický účel má acido-bazické měření? Jsou Vaše materiály biokompatibilní? Je možné je použít jako nosiče? Dochází k navrácení hydrofobních vlastností? Jakou metodu sterilizace byste vybral? Spíše UV záření nebo třeba ethanol? Může UV přispívat k zachování radikálových forem? Mgr. Ondřej Vašíček, Ph.D. V názvu máte uvedené pro biomedicínské účely, do jakých odvětví byste to konkrétně zacílil? Z jakých důvodů byla vybrána bakterie Staphylococcus epidermidis? Je možné povrch sterilizovat po ošetření plazmou? Vydrží plazmování na povrchu? Student odpověděl na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi student prokázal výbornou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomant prokázal nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Chemistry for Medical Application (NPCP_CHMA)

Specialization

Chemistry of Bioactive Substances (CHBL)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Petr Sedláček, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)
Mgr. Ondřej Vašíček, Ph.D. (člen)

Diplomová práce zkoumá možné využití 3D tištěných polymerních materiálů jako medicínských modelů pro studium dekontaminačních účinků plazmatu. Na základě podrobné rešerše byly vybrány tři materiály (PP, ABS a TPU), z nichž byly pomocí 3D tisku zhotovovány tři typy modelových vzorků (planární a profilované ve tvaru L a trubiček). Následovalo opracování plazmatem v objemovém bariérovém výboji ve vzduchu nebo argonovou mikrovlnnou tryskou. Následně byly vyhodnoceny jak povrchové vlastnosti polymerních modelů (měřením kontaktního úhlu vybraných kapalin a stanovením volné povrchové energie), tak jejich vliv na mikrobiální kulturu.
Při řešení své práce projevil student značnou samostatnost jak při pečlivém a detailním zpracování rešeršní části, tak při přípravě vzorků 3D tiskem. Velmi aktivně se podílel na modelování a softwarovém zpracování virtuálních modelů, což byla problematika nad rámec zadání jeho diplomové práce. Své postupy a průběžné výsledky pravidelně konzultoval a sám navrhoval či modifikoval navazující experimenty. Při práci také projevil značnou trpělivost při vyhodnocování neuniformních a nestandardních vzorků. Vlastní práce je zpracovaná pečlivě, má logickou strukturu a z velkého množství experimentálních dat vybírá podstatné informace. Výsledky jsou tak vyhodnoceny přehledně s jasně formulovanými závěry. Výsledky práce přináší důležité poznatky týkající se jak interakce vybraných polymerních materiálů využitelných v medicíně s nízkoteplotním plazmatem, tak i vlastní přípravy 3D vzorků s ohledem na jejich využití jako modelů pro studium dekontaminačních účinků plazmatu.
Diplomová práce splnila požadavky zadání a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Studium literatury a její zpracování A
Využití poznatků z literatury A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů A

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce Bc. Žitného se zabývá úpravou povrchu 3D tištěných vzorků z komerčních materiálů ABS, PP a TPU nízkoteplotním plazmatem s cílem v použití v medicínských aplikacích.
Teoretická část popisuje problematiku plazmatu, modifikace povrchů plazmatem, 3D tisku i materiálů pro 3D tisk. Část je obsáhlá a bohatě citovaná, chybí mi však více odkazů na literaturu na konkrétní téma této práce - 3D tištěné modely používané v medicíně a využití
nízkoteplotního plazmatu k jejich povrchovým úpravám.
Experimentální část detailně popisuje přípravu vzorků i postup povrchové úpravy plazmatem i měření povrchové energie a vliv přítomnosti vzorků na S. Epidermidis. Jediné, co bych doporučila, je u vzorků složitějšího tvaru než planárních destiček pro přehlednost uvádět spíše nákres nebo digitální model než jen rozměry.
Výsledková část rozebírá výsledky měření povrchové energie a smáčivosti vytvořených povrchů, včetně vlivu doby ošetření, časové stability plazmatické úpravy a vlivu na modelový mikroorganismus. Popis výsledků je detailní, s některými závěry však zcela nesouhlasím. U ABS například autor vysvětluje snížení celkové volné povrchové energie tím, že dochází k eliminaci kyselé složky, která je ze všech komponent nejnižší, a vůbec nekomentuje značný pokles disperzní složky. Celkově je komentář některých trendů složitý vzhledem k velikosti chybových úseček a bylo by vhodné v takových případech využít statistické metody.
Celkově práce splnila vytyčené cíle a rozsahem i obsahem splňuje podmínky pro diplomové práce, doporučuji k obhajobě a hodnotím B.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků B
Interpretace výsledků, jejich diskuse B
Využití literatury a její citace B
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace B
Topics for thesis defence:
  1. Jaké další modely pro rozklad volné povrchové energie existují? Proč jste zvolili právě Lifshitz-van der Waals/acid-base?
  2. Najdete v současné literatuře příklady článků na téma obdobné Vaší práci? Případně srovnejte výsledky.
  3. Jakou metodou byste mohl ověřit, že na povrchu vznikly kyslíkové skupiny?

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová