Bachelor's Thesis

Perspective of fullerenes for joint implants

Final Thesis 3.28 MB Appendix 2.23 MB

Author of thesis: Oliver Svrček

Acad. year: 2025/2026

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

Reviewer: Ing. Aneta Cahová

Abstract:

Diseases of the articular cartilage, particularly osteoarthritis, represent a serious medical
problem affecting up to a quarter of the adult population. The introduction of local joint
implants as a less invasive alternative to total replacements creates a new contact area
between metal and native cartilage, where friction and wear are increased.
The aim of this study is to experimentally verify whether inorganic fullerene-like tungsten
disulfide (IF-WS2) nanoparticles added to synovial fluid can improve lubrication conditions
at this interface.
Tribological measurements were performed on a pin-on-plate tribometer, where a pin made
of native bovine cartilage was in contact with plates made of three materials – CoCrMo,
Ti6Al4V, and DLC-coated Ti6Al4V. The synovial fluid was doped with IF-WS2
nanoparticles at concentrations of 0, 100, and 200 µg/ml, with each combination of material
and concentration repeated three times.
The lowest average coefficient of friction, 0.1166, was achieved with the Ti6Al4V + DLC
combination at a WS2 concentration of 200 µg/ml, which represents 66 % improvement
compared to untreated synovial fluid. When comparing materials at the same concentrations,
the order of results was as follows: Ti6Al4V + DLC, Ti6Al4V, CoCrMo. The addition of
IF-WS2 nanoparticles generally reduced the coefficient of friction, with the higher
concentration of 200 µg/ml consistently providing better results.
The results confirm that IF-WS2 have strong potential as an additive to synovial fluid for
viscosupplementation. For clinical application, further experiments are necessary, including
long-term testing, a more thorough evaluation of cartilage wear, and further verification of
cytotoxicity under physiologically relevant conditions.

Keywords:

tungsten disulfide, fullerenes, joint implants, coefficient of friction, biotribology, synovial
fluid

Date of defence

12.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Student prezentoval výsledky své bakalářské práce a zodpověděl otázky oponenta. Na základě jakých kritérií byly zvoleny materiály destiček CoCrMo, Ti6Al4V a Ti6Al4V s DLC povlakem a z jakých podkladů vycházel návrh experimentálních podmínek? Jakému typu kloubu mají tyto podmínky odpovídat a do jaké míry reprezentují reálný kontakt lokálního kloubního implantátu s chrupavkou? - zodpovězeno Ing.Kvarda - Dotaz na graf na straně 16 - zodpovězeno Proč je čistá synoviálná kapalina vyšších hodnotách? - zodpovězeno Doc.Galas - V rešerši jste měl hodnoty tření nižší, jaké bylo hodnocení vašich dat? Tvar částit byl kulový? - zodpovězeno

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Machine and Industrial Design

Study programme

Fundamentals of Mechanical Engineering (B-ZSI-P)

Specialization

Fundamentals of Mechanical Engineering (STI)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Vrbka, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Radovan Galas, Ph.D. (místopředseda)
Ing. František Vlašic, Ph.D. (člen)
Ing. Daniel Kvarda, Ph.D. (člen)
Ing. Ondřej Vaverka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
prof. Ing. Martin Vrbka, Ph.D.

Bakalářská práce byla realizována v oblasti experimentální biotribologie a konkrétně se zabývala tribologickým účinkem dopované kloubní kapaliny s přídavkem fullerenů, která může představovat perspektivní mazivo pro lokální kloubní implantáty (kontakt mezi implantátem a chrupavkou). Tato vědecky zaměřená práce byla realizována ve spolupráci s Dr. V. Kundrátem (Ústav chemie, Přírodovědecká fakulta, Masarykova univerzita). S prací studenta jsem byl velmi spokojen, zejména v laboratorní části, kde provedl několik desítek časově náročných a precizních experimentů, včetně přípravy vzorků zvířecí chrupavky a dopované kloubní kapaliny. Výsledky jsou zpracovány rovněž velmi solidně, i když se ukazuje, že největší slabinou experimentů je variabilita třecích vzorků (pinů) kloubní chrupavky, což je ovšem běžný problém nativních vzorků. Textová část práce je relativně obsáhlá, místy méně vhodně strukturovaná a někde se objevují chyby ve formátování (např. na str. 16 a 36). Student pracoval samostatně na základě relativně častých konzultací. Hlavní i dílčí cíle bakalářské práce byly splněny. Celkově hodnotím bakalářskou práci stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Aneta Cahová

Bakalářská práce se zabývá aktuální a dosud jen omezeně prozkoumanou problematikou využití fullerenům podobných nanočástic IF-WS₂ ke zlepšení tribologických podmínek v kontaktu kloubní chrupavky s materiály lokálních implantátů. Téma je odborně relevantní a má potenciál pro další výzkum v oblasti biotribologie.

Rešeršní část je přehledně zpracovaná a vychází z relevantních a aktuálních zdrojů. Autor vhodně shrnuje klíčové poznatky, jejich kritické zhodnocení a posouzení přenositelnosti na řešený problém je však spíše omezené. Práce je logicky uspořádaná a pozitivně hodnotím také rozsah experimentální části, v níž byly porovnány tři materiály destiček a tři koncentrace IF-WS₂.

V metodické části však některé informace chybějí. Není zřejmé, podle jakých kritérií byly zvoleny materiály destiček ani z čeho vycházejí podmínky měření. Nedostatečně je popsáno stanovení průměrné hodnoty součinitele tření i to, zda byla pro každý pin použita nová dráha. Nejasný je údaj o koncentraci mateřského roztoku 10 g/ml a chybí informace o jeho dávkování do synoviální kapaliny. Hodnoty drsnosti byly převzaty z jiné práce, nebyly však ověřeny na použitých destičkách ani dále využity, přestože analýza topografie byla dílčím cílem práce.

Výsledky jsou prezentovány přehledně, část textu však náleží spíše do metodiky. U fotografií sedimentace by bylo vhodné vyznačit oblast zájmu a navést tak čtenáře, na kterou část snímku se má zaměřit. V tabulkách 3–5 jsou chybně uvedeny koncentrace a v příloze 2 na obr. 8 pravděpodobně došlo k záměně fotografií před a po měření. Autor uvádí, že opotřebení chrupavky bylo hodnoceno vizuálně, výsledky však nejsou prezentovány ani diskutovány. Nedostatečně doloženo je také tvrzení, že vzhledem ke krátké době měření a nízkému zatížení nemělo smysl opotřebení podrobněji analyzovat.

Diskuse správně popisuje omezení experimentu a doporučení pro další výzkum, porovnání výsledků s literaturou je však velmi stručné, což výrazně snižuje její odbornou úroveň. Některé dílčí cíle nebyly plně splněny. Autor zdůvodňuje, proč nebyla analyzována topografie chrupavky, obdobné vysvětlení však chybí u destiček. Chybí také analýza zatížení a kinematiky. Po formální stránce se objevuje nejednotné formátování a v rešerši nejsou veličiny vždy popsány bezprostředně za vztahy, což snižuje přehlednost odborného výkladu. Přes uvedené nedostatky práci doporučuji k obhajobě s výsledným hodnocením C.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání C
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod C
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii C
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. Na základě jakých kritérií byly zvoleny materiály destiček CoCrMo, Ti6Al4V a Ti6Al4V s DLC povlakem a z jakých podkladů vycházel návrh experimentálních podmínek? Jakému typu kloubu mají tyto podmínky odpovídat a do jaké míry reprezentují reálný kontakt lokálního kloubního implantátu s chrupavkou?

Grade proposed by reviewer: C

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová