Master's Thesis

3D printed composites reinforced by 2D nanomaterials for new generation biomedical implants

Author of thesis: Ing. Jan Radil

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: doc. Ing. David Nečas, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D.

Abstract:

Current joint replacements are subjected to long-term mechanical loading, which leads to wear of the contact surfaces and gradual degradation of the implants. One promising approach to improving their tribological properties is the use of 3D printed metal matrix composites reinforced with 2D nanomaterials. The aim of this master’s thesis was to analyse the friction and lubrication mechanisms of these composites and to assess their potential for application in next-generation joint replacements.
Friction experiments were performed on 3D printed CoCrMo alloy samples containing Ti₃C₂Tₓ MXene nanoparticles in “pin-on-plate” and “pin-on-disc” configurations. The experiments were complemented by surface topography analysis, observation of lubricant film formation in the contact using fluorescence microscopy, and wear analysis.
The key finding of this thesis was the significant reduction in volumetric material loss observed in composite samples. At concentrations of 0.5 and 1 wt.%, wear was reduced by approximately 66–73% compared to the reference sample without the additive. At the same time, it was found that the addition of Ti₃C₂Tₓ nanosheets affected the frictional behavior of the composite mainly through changes in surface topography and lubricant film formation. The most pronounced reduction in the coefficient of friction was observed at lower nanoparticle concentrations, whereas a higher additive content led to increased surface roughness and reduced frictional stability. With increasing nanoparticle concentration, the fluorescence intensity in the contact also increased, indicating a greater presence of the lubricating layer. However, this effect was not sufficient to compensate for the negative influence of increased surface roughness.
The obtained results demonstrated the substantial potential of 3D printed metal matrix composites reinforced with 2D nanomaterials for the future development of next-generation joint replacements. Within the tested range, concentrations of 0.5 and 1 wt.% Ti₃C₂Tₓ appeared to be the most favourable, with the achieved reduction in wear indicating that this approach may represent an important step towards extending the service life of joint replacements. A key prerequisite for further development remains the targeted optimization of nanoparticle concentration and control of surface topography.

Keywords:

2D nanomaterials, MXenes, metal matrix composites, joint replacement, coefficient of friction, lubricant film formation, surface wear

Date of defence

16.06.2026

Date of publish

16.06.2027

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své diplomové práce a zodpověděl otázky oponenta. Otázka oponenta 1: V podkapitole 6.1.4 uvádíte, že snížení opotřebení u měkkého kontaktního páru je pravděpodobně způsobeno mechanickým zpevněním kovové matrice kompozitu pomocí 2D nanomateriálu, a nikoliv tvorbou tribofilmu. Jelikož tato data v práci chybí, navrhněte konkrétní metodiku a experimenty, kterými byste hypotézu o zpevnění matrice objektivně ověřil. ZODPOVĚZENO Otázka oponenta 2: Jedním z cílů práce bylo zhodnotit rizika inovativního řešení. Ve studii zmiňujete možnou biologickou nekompatibilitu částic (podkapitola 6.1.2). Jaká další rizika, například spojená se samotnou technologií aditivní výroby LPBF při inkorporaci Ti₃C₂Tₓ MXenů, by mohla bránit nasazení těchto kompozitů v klinické praxi? ZODPOVĚZENO doc. Horák: Jsou MXeny zdravotně nezávadné? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Není hmotnostní koncentrace příliš nízká? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Je zvolené zatížení relevantní? ZODPOVĚZENO prof. Vimmr: Jaký byste očekával vliv proměnného zatížení? ZODPOVĚZENO dr. Dočkal proč jste nepoužil nižší koncentraci? ZODPOVĚZENO doc. Koutný: Co způsobuje narůst drsnosti povrchu? Pozoroval jste nějaký typ charakteristických defektů? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Jak se liší teplota tání použitých materiálů? ZODPOVĚZENO

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Machine and Industrial Design

Study programme

Mechanical Engineering Design (N-KSI-P)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Hartl, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Daniel Koutný, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Ivan Mazůrek, CSc. (člen)
doc. Ing. Pavel Maňas, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D. (člen)
Ing. Aleš Dočkal, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Vimmr, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
doc. Ing. David Nečas, Ph.D.

Jan Radil se ve své diplomové práci zabýval popisem mechanismů tření, mazání a opotřebení kompozitů s kovovou matricí vyztužených 2D nanovrstvami MXene, které mají značný potenciál pro využití při vývoji kloubních náhrad. Diplomant od samého začátku přistupoval k řešení práce iniciativně a aktivně, průběžně konzultoval jednotlivé fáze řešení a přicházel s vlastními myšlenkami, jak téma dále rozvíjet. Z pohledu vedoucího byla spolupráce s diplomantem velmi produktivní. Oceňuji zejména rozsah experimentálních měření, která realizoval, ale také jeho schopnost kritické diskuse a interpretace získaných výsledků. Velmi kladně hodnotím rovněž vizuální stránku práce. Student nad rámec běžných požadavků věnoval značné úsilí tomu, aby byla práce po stránce vizuální komunikace ucelená a přehledná. Reprodukoval grafy z relevantních vědeckých studií, věnoval zvýšenou pozornost schematické interpretaci výsledků a celkové grafické kvalitě zpracování. Téma bylo řešeno v rámci výzkumného projektu Grantové agentury České republiky, přičemž diplomant významně přispěl k jeho řešení a dalšímu rozvoji, což rovněž velmi oceňuji. Všechny stanovené cíle práce byly podle mého názoru bezezbytku splněny. Nadstandardní vědeckou kvalitu práce dokládá skutečnost, že její výsledky vedly ke vzniku hned dvou manuskriptů vědeckých článků. Jeden z nich je v době hodnocení práce již v recenzním řízení. V tomto případě byl příspěvek diplomanta menší a spočíval především v naznačení perspektiv využití nanovrstev MXene. U druhého manuskriptu je však diplomant hlavním autorem. Článek v současnosti prochází finálními revizemi ze strany spoluautorů a do konce června 2026 bude odeslán do časopisu s ambicí publikace v časopise kategorie Q1/D1. Obě publikace navíc vznikly ve spolupráci s mezinárodními partnery. Z pohledu vedoucího považuji dosažené výsledky, jejich interpretaci i celkovou odbornou úroveň diplomové práce za vynikající. Práci bez výhrad doporučuji k obhajobě a navrhuji její hodnocení stupněm 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 A
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 A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
doc. Ing. Zdeněk Horák, Ph.D.

Předložená diplomová práce představuje mimořádně rozsáhlý a metodicky vyspělý experimentální výzkum. Autor otestoval rozsáhlou sadu vzorků s využitím špičkových metod, jako je in-situ fluorescenční mikroskopie a dlouhodobé tribologické testování. Největší předností práce je vysoká vědecká vyspělost autora v diskuzi – autor dokáže objektivně interpretovat svá data, uvědomit si jejich limity a na jejich základě korektně zamítnout vlastní primární hypotézu ohledně tvorby tribofilmu u měkkých kontaktních párů. Dva připravované/odeslané vědecké články svědčí o excelentní vědecké úrovni výstupů. Klíčovým nedostatkem práce je argumentační zkratka v diskusi, kde je zjištěné snížení opotřebení pinu připisováno „mechanickému zpevnění kovové matrice“ bez toho, aniž by práce obsahovala jakákoliv experimentální data (např. nanoindentaci), která by změnu mechanických vlastností potvrdila. Z metodického hlediska je kompromisem použití PMMA namísto klinického UHMWPE v optických testech, což narušuje možnost přímé komparace s reálnými implantáty. Zadání také slibovalo analýzu „rizik“, která zůstala omezena pouze na konstatování v limitacích studie.

Doporučuji práci k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. V podkapitole 6.1.4 uvádíte, že snížení opotřebení u měkkého kontaktního páru je pravděpodobně způsobeno mechanickým zpevněním kovové matrice kompozitu pomocí 2D nanomateriálu, a nikoliv tvorbou tribofilmu. Jelikož tato data v práci chybí, navrhněte konkrétní metodiku a experimenty, kterými byste hypotézu o zpevnění matrice objektivně ověřil.
  2. Jedním z cílů práce bylo zhodnotit rizika inovativního řešení. Ve studii zmiňujete možnou biologickou nekompatibilitu částic (podkapitola 6.1.2). Jaká další rizika, například spojená se samotnou technologií aditivní výroby LPBF při inkorporaci Ti₃C₂Tₓ MXenů, by mohla bránit nasazení těchto kompozitů v klinické praxi?

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

The publication of a master’s thesis is in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on Higher Education Institutions, postponed. The reason for the postponement of publication is that the thesis contains parts of the results that are part of a prepared scientific publication in an impacted journal, and their early publication could be considered plagiarism by the journal.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová