Master's Thesis

Preparation and characterization of biomimetic hydrogels inspired by articular cartilage

Author of thesis: Bc. Tereza Olbrechtová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Monika Trudičová, Ph.D.

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

Abstract:

This thesis deals with the development and characterization of hybrid hydrogel scaffolds based on poly(2-hydroxyethyl methacrylate) (pHEMA) modified with gelatin and its derivatized form – gelatin methacryloyl (GelMA). The aim of the thesis was to optimize the composition of the composite material to the structural stability of the synthetic polymer with the bioactivity of the natural component. The theoretical section summarizes knowledge of the structure of extracellular matrix (ECM) and articular cartilage, with focus on the types of hydrogels used in tissue engineering for their regenerative applications. The experimental part is devoted to preparing samples and comprehensive study of their physicochemical properties. The swelling kinetics, optical transparency, and rheological behavior of the prepared materials were evaluated. The results suggest integrating GelMA into pHEMA network enables precise control over the hydrophilicity and mechanical stiffness to of the gels, with swelling following first order kinetics. Rheological measurements confirmed relatively high stability and predominantly elastic behavior of the modified hydrogels. The prepared materials represent a potentially suitable platform for application in regenerative medicine due to their structural integrity, tunable properties, and optical transparency.

Keywords:

Hydrogel, pHEMA, gelatin, GelMA, tissue engineering, cartilage, swelling, rheology, transparency

Date of defence

26.05.2026

Date of publish

25.05.2029

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

1. Studentka seznámila členy komise s náplní a cílem diplomové práce. 2. Byly přečteny posudky na diplomovou práci. 3. Studentka akceptovala všechny připomínky oponentky a na všechny otázky odpověděla v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Zmínila jste přídavek GelMA, můžete to objasnit? Z čeho se tato látka skládala? Zmínila jste, že je možné udělat dvě sítě, byly by od sebe sítě odlišné? Která z daných sítí by byla kompaktnější? Jedná se o reálný model? Je možný tento systém aplikovat přímo do kloubu? Z jakého materiálu by bylo možné udělat náhradní chrupavku? doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. Zmiňujete tribologii, můžete to prosím objasnit? Jak dochází přesnému měření tření? V práci uvádíte korelační koeficient R na druhou, můžete ho objasnit? prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. Mohla byste prosím shrnout funkce synoviální tekutiny? doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D. Odkud byla získána kyselina hyaluronová? Od je možné jí získat? Studentka odpověděla na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi studentka prokázala výbornou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Diplomantka prokázala nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

English

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)
doc. Mgr. Pavel Dvořák, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Monika Trudičová, Ph.D.

Studentka Tereza Olbrechtová se ve své diplomové práci věnovala přípravě a charakterizaci biomimetických hydrogelů na bázi pHEMA modifikovaných želatinou a GelMA se zaměřením na studium jejich fyzikálně-chemických vlastností. Pro splnění stanovených cílů bylo nezbytné optimalizovat přípravu jednotlivých hydrogelových systémů a následně provést jejich charakterizaci.
Zpracování a interpretace získaných dat byly vzhledem k množství naměřených výsledků poměrně náročné, zejména v oblasti statistického vyhodnocení. Studentka však k řešení jednotlivých úkolů přistupovala aktivně, pečlivě a se zájmem o studovanou problematiku. Oceňuji zejména její zodpovědný přístup k experimentální práci, ochotu konzultovat dosažené výsledky a průběžně zapracovávat připomínky do dalšího postupu řešení.
Studentka během řešení diplomové práce prokázala schopnost samostatné odborné práce a osvojila si řadu experimentálních i analytických postupů, které jistě využije i v navazujícím doktorském studiu. Ačkoliv některé úkoly řešila intenzivněji v závěrečných fázích práce, stanovené cíle diplomové práce byly splněny v požadovaném rozsahu. Diplomovou práci proto doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm „výborně“.
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 B
Závěry práce a jejich formulace A
Využívání konzultací při řešení práce A
Celkový přístup k řešení úkolů B

Grade proposed by supervisor: A

Bc. Tereza Olbrechtová se ve své diplomové práci zabývá vývojem hybridních hydrogelových materiálů na bázi poly(2-hydroxyethylmethakrylátu) a želatiny a hodnocením jejich potenciálu pro využití v tkáňovém inženýrství, konkrétně jako scaffoldů pro regeneraci chrupavky. Zvolené téma považuji za velmi aktuální, odborně přínosné a plně odpovídající zaměření studijního programu diplomantky. Již v úvodu mohu konstatovat, že studentka zadaný úkol zpracovala na velmi vysoké úrovni a předložená práce působí jako mimořádně zdařilé odborné dílo.



Práce je zpracována v anglickém jazyce, přičemž text je srozumitelný, stylisticky kultivovaný a odborně přesný. Formální úroveň práce je velmi dobrá; pouze několik drobných připomínek uvádím v závěru posudku. Rozsah práce odpovídá standardům diplomových prací (60 stran bez seznamu literatury, příloh a formálních náležitostí), stejně jako množství a kvalita použitých literárních zdrojů (89 převážně odborných časopiseckých publikací).



Struktura práce je logická a přehledná. Po stručném úvodu, který jasně vymezuje motivaci a cíle práce, následuje teoretická část dokládající velmi dobrou orientaci autorky v řešené problematice. Za hlavní přínos práce však považuji zejména rozsah a hloubku experimentální části, které jsou v obou ohledech nadstandardní. Autorka se systematicky věnovala objasnění vlivu integrace želatiny do hydrogelové sítě na bázi pHEMA, a to ve dvou odlišných koncepcích – jednak ve formě semiinterpenetrujících želatinových řetězců, jednak jako reaktivní komponenty schopné kopolymerizace, případně tvorby sekundární sítě. Vliv integrované želatiny byl hodnocen komplexně, od botnacích vlastností přes morfologii hydrogelů až po jejich mechanické charakteristiky.



Velmi pozitivně hodnotím skutečnost, že získané experimentální výsledky nejsou pouze přehledně prezentovány, ale jsou rovněž podrobně interpretovány a diskutovány v kontextu odborné literatury. Nadstandardní je rovněž rozsah statistického zpracování dat, které výrazně převyšuje běžnou úroveň diplomových prací. V metodické části bych vzhledem k méně obvyklé technice biotribologického měření uvítal podrobnější grafickou dokumentaci experimentálního uspořádání (např. formou fotografie či schématu). K výsledkové části mám jedinou významnější připomínku – postrádám podrobnější vysvětlení způsobu porovnání experimentálních dat botnání se zvoleným modelem kinetiky nultého řádu; k této problematice se vztahuje také jedna z otázek k obhajobě.



Předložená diplomová práce Bc. Terezy Olbrechtové představuje velmi kvalitní autorské dílo. Diplomantka v ní prokázala schopnost samostatné výzkumné práce, kritického vyhodnocení experimentálních výsledků i jejich odborné interpretace. Stanovené cíle práce byly podle mého názoru beze zbytku splněny. Práci proto doporučuji k obhajobě a navrhuji hodnocení „Výborně (A)“.

Drobné formální a gramatické připomínky:

- Str. 4, Abstrakt: pozor na správný systematický název pHEMA (chybějící „h“ v „methakrylát“).
- Str. 9: ve větě „Articular cartilage ECM contains a liquid phase of water (68–85 % of total weight) and a solid protein component.“ poněkud zapadá klíčový vliv polysacharidové složky.
- Str. 11: „Each collagen monomer forms a triple helix“ – formulace je zavádějící, protože zřejmě není míněn monomer jednotlivého řetězce (tj. aminokyselina), ale jednotlivý řetězec.
- Str. 11: „From a structural perspective, hyaline cartilage consists of only two percent chondrocytes, while the rest, almost 95 % of its total volume, is made up of extracellular matrix (ECM)“. Co zbylá 3%?
- Str. 15: „responsible“ chybí „for“
- Str. 16: „join diseases disrupts“ přebývá „s“
- Str. 55: „which identification“
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků zadání A
Logické členění práce A
Kvalita zpracování výsledků A
Interpretace výsledků, jejich diskuse A
Využití literatury a její citace A
Úroveň jazykového zpracování A
Formální úroveň práce – celkový dojem A
Závěry práce a jejich formulace A
Topics for thesis defence:
  1. Může studentka v rámci obhajoby podrobněji vysvětlit způsob fitování dat získaných z botnacích experimentů zvoleným kinetickým modelem?
  2. Považuje studentka hydrogely připravené z HEMA a GelMA spíše za jedinou kopolymerní síť, nebo za hybridní systém tvořený dvěma interpenetrujícími sítěmi? Jakou experimentální technikou by bylo možné tuto strukturu případně ověřit?
  3. Porovnání SEM snímků pHEMA a vzorku G5 (obr. 35a a 35c) naznačuje změnu charakteru povrchového zvlnění z konkávního na konvexní. Byl tento jev skutečně experimentálně pozorován? Mohl by být tento efekt zajímavý z hlediska zamýšlené aplikace materiálů?
  4. V případě botnacích experimentů v roztoku HyA (model synoviální kapaliny) předpokládá studentka, že proces botnání probíhá pouze výměnou rozpouštědla mezi hydrogelem a okolním prostředím, nebo očekává také průnik řetězců HyA do gelové fáze? Jakými experimentálními metodami by bylo možné tuto hypotézu ověřit?
  5. Jaký další směr vývoje těchto hydrogelových systémů pro aplikace v náhradách chrupavky by autorka na základě získaných výsledků doporučila?

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

Publication of diploma thesis, resp. its chapter "Experimental Part" is in accordance with the provision of § 47b, paragraph 4 of Act No. 111/1998 Coll., on Higher Education Institutions, postponed. The reason for postponing the publication is the fact that the diploma thesis, respectively, the chapter "experimental part" contains information protected by special legal regulations (e. g. No. 527/1990 Coll., on Inventions and Improvement Proposals).

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová