Master's Thesis

Characterization of specific 3D surface architecture created by water jet on materials intended for bioapplications

Final Thesis 3.76 MB

Author of thesis: Ing. Adam Kuník

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Alice Chlupová, Ph.D.

Reviewer: Ing. Hynek Hadraba, Ph.D.

Abstract:

Erosion and other degradation processes caused by the water environment are generally considered negative. However, by controlling the erosion process under the influence of water, it is possible to achieve structural changes to the product surface that lead to improvement or modification of its properties in the desired direction. Technologies that erode the surface of a component in a controlled manner include water-jet technology. This work aims to demonstrate the applicability of water-jet technology for optimal surface roughening of biomaterials used to produce joint implants. This roughening is a key technological step that ensures a firm connection of the implant to the bone. The currently used sandblasting technology is not ideal due to contamination of the surface with abrasive particles; therefore, an effort is made to replace it with a cleaner technology. Based on theoretical preparation, an experiment was conducted. It demonstrated that, with appropriate settings of operating conditions, the pulsating water jet can, through erosion, create on the surface of biomaterials a relief that resembles the surface of a commercially produced implant. The work thus demonstrates that the pulsating water beam is a suitable technology for roughening the surface of joint implants without contamination, unlike currently used methods.

Keywords:

pulsating water jet, biocompatibility, implants, erosion, surface roughness, osseointegration, surface modification, titanium alloys, stainless steel, water cluster

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval svoji diplomovou práci, byly přečteny posudky vedoucího práce a oponenta práce. Otázky oponenta: 1. otázka - zodpovězeno 2. otázka - zodpovězeno 3. otázka - zodpovězeno Otázky komise: Z jakého důvodu je výhodnější aplikace ZrO2 namísto Al2O3 ? (zodpovězeno) Jak je možné zdrsňovat povrch pomocí Hydroxyapatitových čásic? (zodpovězeno) Proč jste nepoužil pro měření tvrdosti metodu HV0,3? (zodpovězeno) Zkoušel jste dělat korelaci výsledků smáčivosti s typografií povrchu? (zodpovězeno) Jaká byla chybovost? (zodpovězeno) Kde tato práce byla realizována? (zodpovězeno) Mohl byste popsat techniku měření smáčivosti blížeji? (zodpovězeno) Může se tato metoda použít i na zakřivených plochách? Přinese aplikace vodního proudu homogenní zdrsnění povrchu. (částečně zodpovězeno) Je definovaná optimální drsnost povrchu obecně pro bioaplikace? (zodpovězeno)

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Materials Engineering (N-MTI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Libor Pantělejev, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Ivo Dlouhý, CSc. (místopředseda)
Ing. Lukáš Řehořek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Klára Částková, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Zelený, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Alice Chlupová, Ph.D.

Diplomová práce je zpracovaná na dobré úrovni, je originální a přináší nové poznatky týkající se zajímavé problematiky modifikace povrchu biomateriálů pomocí technologie pulsního vodního proudu (PWJ). Práce propojuje oblasti technologie vodního proudu a materiálového inženýrství. Práce splnila vytyčené cíle, přičemž hlavním cílem bylo pomocí PWJ dosáhnout obdobné topografie povrchu, jakou má kloubní implantát, a pro charakterizaci použít rozmanité zkušební a analytické metody.

V teoretické části se autor podrobně věnuje principům technologie vodního proudu, mechanismům eroze, vlivu technologických parametrů na výslednou morfologii a topografii povrchu a také problematice biokompatibilních materiálů. Experimentální část zahrnuje rozsáhlou charakterizaci povrchu pomocí světelné, ale zejména elektronové mikroskopie, profilometrie a měření smáčivosti, kde student analýzy a jejich vyhodnocení prováděl buď zcela samostatně, či pod vedením konzultanta či technika. Snaha o srovnání vytvořených povrchů s povrchem komerčního implantátu dodává práci aplikační přesah.

Student prokázal schopnost samostatné práce, orientaci v odborné literatuře i zvládnutí experimentálních metod. Práce obsahuje drobné stylistické a formulační nepřesnosti a diskuse výsledků mohla být místy hlubší. Přesto výsledky potvrzují potenciál PWJ pro tvorbu vhodné topografie bez kontaminace abrazivem. Diplomová práce splňuje požadavky kladené na tento typ závěrečných prací, a proto ji doporučuji k obhajobě s celkovým hodnocením B.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions C
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations B
Student's independence when working on the topic B

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Hynek Hadraba, Ph.D.

Předložená diplomová práce se zabývá možností využití technologie pulsního vodního proudu k modifikaci povrchu části kloubních implantátů určené pro kontakt s kostní tkání. Zvolené téma považuji za aktuální.

Teoretická část se zaměřuje především na problematiku technologie pulsního vodního proudu, biomateriálů používaných pro výrobu implantátů a metod jejich charakterizace. Experimentální část práce je zaměřena na charakterizaci vzniklé morfologie a topografie povrchu pomocí světelné a elektronové mikroskopie, profilometrických metod a měření smáčivosti. Práce je zpracována systematicky, výsledky jsou přehledně prezentovány a vhodně diskutovány. V práci se vyskytují drobné typografické a formální nedostatky, které však nesnižují její odbornou úroveň.

Za hlavní přínos práce považuji experimentální ověření možnosti využití technologie pulsního vodního proudu pro úpravu povrchu biomateriálů určených pro výrobu kloubních implantátů a porovnání takto připravených povrchů s povrchem komerčně vyráběného implantátu. Cíle práce proto považuji za splněné. Celkově mohu konstatovat, že předložená diplomová práce splňuje požadavky kladené na tento typ závěrečných prací. Doporučuji diplomovou práci k obhajobě a hodnotím ji celkovou známkou A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level B
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. 1) Na stranách 32 a 49 uvádíte, že tvrdé částice používané k abrazivní úpravě povrchu implantátu, které ulpívají na funkčním povrchu implantátu, mohou způsobovat zánětlivou reakci organismu. Vzhledem k tomu, že se tato úprava povrchu implantátů používá rutinně desítky let, jaké byly vyvinuty způsoby následné úpravy takto ošetřeného funkčního povrchu implantátů, které tento problém eliminují?
  2. 2) Na straně 37 uvádíte, že „měření tvrdosti je u titanu a titanových slitin při zatíženích nad 1 kg problematické“, a proto jste zvolil měření tvrdosti dle Vickerse zatížením 0,1 kg. Prosím o bližší vysvětlení tohoto tvrzení, zejména s ohledem na skutečnost, že naměřená tvrdost titanové slitiny byla přibližně 320 HV0.1.
  3. 3) Z grafu na obrázku 50 na straně 54 práce je vidět, že úhel smáčení vodní kapky v případě oceli 316L setrvale klesá s rychlostí přejezdu vodního paprsku. Čím je podle Vás dáno toto chování oceli 316L na rozdíl od slitiny TiAl6V4, kde jste pozoroval nerovnoměrnou závislost úhlu smáčení kapky na rychlosti přejezdu vodního paprsku?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová