Master's Thesis

Biotribology of 3D printed individualised segmental joint implant

Author of thesis: Bc. Michaela Křížová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Martin Vrbka, Ph.D.

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

Abstract:

Individualised segmental joint implants represent a treatment option for younger patients with localised articular cartilage defects, aiming to postpone total joint replacement, whose service life remains limited. Their long-term performance depends on the appropriate selection of the articulating material and its interaction with the opposing cartilage. This thesis focuses on the tribological evaluation of selected implant biomaterials in a pin-on-plate configuration using pHEMA hydrogel as a cartilage-mimicking counterface. Conventional metallic materials, the polymeric material PEEK, and titanium alloys, including additively manufactured Ti6Al4V, were investigated. Short-term and long-term friction tests were performed together with fluorescence-based visualisation of lubricating film formation. The lowest coefficient of friction was observed for additively manufactured Ti6Al4V, whereas PEEK exhibited the highest frictional response. Long-term testing confirmed the stability of friction trends and the favourable behaviour of 3D printed Ti6Al4V. Fluorescence monitoring of labelled synovial fluid components revealed the most pronounced difference between additively manufactured Ti6Al4V and the reference CoCrMo alloy for albumin, whose relative increase was higher for the titanium alloy. This favourable frictional behaviour of 3D printed Ti6Al4V may be associated with surface topography supporting lubricant retention and higher albumin accumulation in the contact region. The results support the use of additively manufactured Ti6Al4V for further development of segmental joint implants and demonstrate the potential of the fluorescence methodology for evaluating lubricating film behaviour in an implant–cartilage model.

Keywords:

Segmental joint implant, 3D printed Ti6Al4V, coefficient of friction, visualization of lubricating film, fluorescence microscopy, biotribology, avascular necrosis

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

Studentka prezentovala výsledky své diplomové práce a zodpověděla otázky oponenta. Otázka oponenta 1: Zjistila jste, že 3D tištěná slitina Ti6Al4V nezpůsobila i přes svou vysokou drsnost (Sa = 129,4 nm) po 30 minutách viditelné poškození hydrogelu. Jakými exaktními metodami byste navrhovala kvantifikovat opotřebení takto poddajného hydrogelu při případných dlouhodobých (např. celodenních) testech? ZODPOVĚZENO prof. Vimmr: Jaký vliv má ukotvení náhrady v kosti? Jak by se to dalo experimentálně studovat? ZODPOVĚZENO doc. Mazůrek: Řekněte nejdůležitější a nejpřekvapivější závěr plynoucí z Vaší práce. ZODPOVĚZENO doc. Koutný: Jak se po testech změnila drsnost vzorků? ZODPOVĚZENO doc. Koutný: Vyjadřete se k počáteční absorbci hydrogelu. 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
prof. Ing. Martin Vrbka, Ph.D.

Bc. Michaela Křížová se ve své diplomové práci věnovala v současné době velmi aktuálnímu vědeckému tématu – biotribologii 3D tištěné individualizované segmentální kloubní náhrady, která představuje zásadní evoluci v léčbě osteochondrálních defektů kloubů mladších pacientů s cílem odsunout implantaci totální endoprotézy do pozdějšího věku. Smyslem práce bylo prozkoumat tribologické chování vybraných perspektivních biomateriálů lokálních implantátů v modelové konfiguraci pin-on-plate s transparentním pHEMA hydrogelem jako modelem kloubní chrupavky. Do testů byly zařazeny jak konvenční materiály implantátů, tak perspektivní materiály určené pro aditivní výrobu (Ti6Al4V, PEEK). Michaela byla od počátku studia začleněna do Výzkumné skupiny biotribologie, přičemž téma její diplomové práce plynule navázalo na její bakalářskou práci. Diplomová práce byla řešena v rámci výzkumného projektu Agentury pro zdravotnický výzkum České republiky (NW25-08-00044) a ve spolupráci s výzkumnou skupinou Pokročilé biomateriály na CEITEC VUT v Brně, která se zabývala vývojem transparentního hydrogelu pHEMA pro model kloubní chrupavky. S prací diplomantky jsem byl velmi spokojen, zejména s jejím systematickým a poctivým přístupem, pracovním nasazením při provádění náročných experimentů, častými a smysluplnými konzultacemi, kvalitně zpracovaným textem práce a zejména diskuzí výsledků doplněnou o názorná schémata. Hlavní i dílčí cíle diplomové práce byly splněny na velmi vysoké úrovni. Zásadním přínosem diplomové práce je tribologicky ověřený biomateriál, který bude použit k dalšímu výzkumu 3D-tištěného třecího povrchu lokálního implantátu ze slitiny Ti6Al4V. V rámci diplomové práce vznikl jeden vědecký článek pro časopis Tribology International (IF 6,9; Q1), který je v současné době v procesu odesílání. Celkově diplomovou práci hodnotím velmi pozitivně, a to klasifikačním stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

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

Předložená práce představuje vysoce kvalitní experimentální výzkum, který se zabývá velmi aktuálním klinickým problémem. Její největší síla spočívá v návrhu a realizaci komplexní metodiky. Propojení tradičního měření součinitele tření s in-situ fluorescenční vizualizací za použití poddajného pHEMA hydrogelu představuje inovativní posun v modelování biotribologických kontaktů. Autorka navíc své výsledky racionálně obhájila a úspěšně je přetavila do formy vědeckého článku. Klíčovou slabinou práce je absence kvantitativního měření opotřebení, což autorka sama uznává jako limit pro přímou klinickou aplikaci. Dále se experimenty potýkaly s vysokým rozptylem dat u dlouhodobých testů (způsobeným odlišnými šaržemi hydrogelů) a zjištěné rozdíly u mnoha kovových materiálů nebyly statisticky významné.

Práci doporučuji k obhajobě. Její odborný přínos, metodická propracovanost a logická výstavba vysoce převyšují nalezené (převážně experimentální a statistické) nedostatky.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Zjistila jste, že 3D tištěná slitina Ti6Al4V nezpůsobila i přes svou vysokou drsnost (Sa = 129,4 nm) po 30 minutách viditelné poškození hydrogelu. Jakými exaktními metodami byste navrhovala kvantifikovat opotřebení takto poddajného hydrogelu při případných dlouhodobých (např. celodenních) testech?

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