Master's Thesis

Design and 3D printing optimization of an implant for alveolar cleft reconstruction

Final Thesis 6.27 MB

Author of thesis: Bc. Vendula Korábová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: prof. Ing. Klára Částková, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Daniel Drdlík, Ph.D.

Abstract:

This thesis focuses on the preparation of multi-material bioceramic structures based on hydroxyapatite (HA) and β-tricalcium phosphate (β-TCP) using the DLP 3D printing method for potential use in bone tissue engineering. The main objective was to optimize the composition of the suspensions and the printing parameters, taking into account the different shrinkage rates of the two materials during sintering. HA and β-TCP suspensions with varying ceramic filler contents were prepared, and their rheology, printability, and sintering behavior were evaluated. The results showed a significant influence of solid-phase content on the viscosity, density, and shrinkage of the sintered bodies. β-TCP exhibited higher shrinkage and lower final density than HA, which led to the formation of stress, deformation, and local delamination of the interfaces in layered structures. By optimizing the composition of the β-TCP suspensions, it was possible to partially reduce the differences in shrinkage and improve the quality of the interfaces between individual layers. Gyroid structures exhibited higher structural integrity than dense layered structures. In addition to layered structures, HA/β-TCP particle composites were also prepared, which exhibited better cohesion after sintering due to a more homogeneous stress distribution within the material volume. The results of this work confirm the potential of multi-material DLP printing for the preparation of bioceramic scaffolds with complex structures and properties.

Keywords:

Bioceramics; calcium phosphates; bone implants; multi-material structures, DLP printing

Date of defence

09.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka prezentovala svoji diplomovou práci, byly přečteny posudky vedoucího práce a oponenta práce. Otázky oponenta: 1. otázka - zodpovězeno 2. otázka - zodpovězeno 3. otázka - zodpovězeno Otázky komise: Chceme - -li vidět mikrodefekt v mCT - má to nějaké omezení? (částečně zodpovězeno) Jaké experimenty je nutné provést, abyste mohli tento implantát do lidského těla? (zodpovězeno) Lze vytvořit tuto strukturu i jinou metodou, místo 3D tisku? (zodpovězeno) Jaký je rychlost zarůstání tkáně do této struktury? (zodpovězeno) Čím je ovlivněna rychlost prorůstání? (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)

Diplomová práce Bc. Venduly Korábové je zaměřena na návrh a optimalizaci 3D tisku implantátu pro rekonstrukci alveolárního rozštěpu. Studentka začala pracovat na svém tématu aktivně již od 4. ročníku studia a přistupovala k řešení diplomové práce velmi zodpovědně, samostatně a s vysokým pracovním nasazením. V průběhu práce prokázala schopnost rychle osvojit široké spektrum experimentálních přístupů a efektivně propojit poznatky z několika odborných oblastí.

Téma diplomové práce bylo mimořádně komplexní, protože zahrnovalo celý proces přípravy biokeramických scaffoldů – od syntézy, úpravy a charakterizace kalcium fosfátových prášků, přes přípravu tisknutelných suspenzí a stereolitografický 3D tisk až po následné tepelné zpracování a optimalizaci slinování multimateriálových struktur. Studentka se současně musela seznámit také se základy keramografie a vyhodnocováním mikrostruktury keramických materiálů pomocí mikroskopických metod.

Během experimentální práce pracovala pečlivě a systematicky. Aktivně se podílela na optimalizaci tiskových parametrů, přípravě multimateriálových struktur i interpretaci získaných výsledků. Velmi také oceňuji její trpělivost a schopnost řešit technologicky náročné překážky spojené s na našem pracovišti nově studovaném multimateriálovým DLP tiskem a problémy s rozdílným slinovacím chováním jednotlivých materiálů.

Studentka pravidelně konzultovala průběh práce, byla iniciativní a projevovala skutečný zájem o řešenou problematiku. Její přístup, dosažené výsledky a interpretaci hodnotím velmi pozitivně a práci doporučuji k obhajobě.
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 A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Předložená diplomová práce Bc. Venduly Korábové si kladla za cíl optimalizovat 3D DLP tisk struktur na bázi bioaktivního hydroxyapatitu (HA) a beta-trikalciumfosfátu (β-TCP) pro finální přípravu implantátu alveolárního výběžku. Tento již sám o sobě ambiciózní cíl byl ještě umocněn rozšířením o provedení soutisku obou materiálů na multimateriálové tiskárně. Diplomovou prací popisované téma je velmi aktuální a poukazuje na účinnou spolupráci Ústavu materiálových věd a inženýrství s Centrem pro léčbu rozštěpů obličeje při FN Brno.

Diplomová práce je sepsána přehledně, má logické uspořádání a dosažené teoretické i praktické výsledky prezentuje ve srozumitelné formě. Teoretická část se zabývá popisem bioaktivních keramických materiálů, fotopolymerací, 3D tisku a struktur a vlastností kostí. V experimentální části je demonstrováno, jak plnění β-TCP suspenze a intenzita osvitu ovlivňují rozměrové a mikrostrukturní vlastnosti tisknuté keramiky po jejím tepelném zpracování.

Kromě přínosu v popisu optimalizace tisku z materiálů HA a β-TCP, lze hlavní přínos práce spatřit v experimentech týkajících se soutisku těchto materiálů a identifikaci překážek, které jsou s ním nutně spojeny. Navíc bylo ukázáno, byť s jistými omezeními, že je možné provést soutisk obou materiálů pro konstrukci alveolárního štěpu, který byl tvořen pevnější vnější skořepinou z HA a degradovatelnější vnitřní strukturou z β-TCP.

Přestože optimalizační experimenty nebyly zcela naplněny tak, aby byla dosažena bezdefektní mikrostruktura keramických výtisků, a samotná práce obsahuje několik významových a stylistických pochybení (překlepy, rovnice bez číselného označení, občasné neexistující odkazy na obrázky v textu, nepřesné formulace, faktické chyby atd.), nesnižují tyto celkový význam práce. Závěrem mohu konstatovat, že předložená diplomová práce splňuje požadavky kladené na tento typ závěrečných prací.

Diplomovou práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji známkou A.
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 C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. V diplomové práci uvádíte, že kompozit HA+β-TCP přináší zlepšení v oblasti mechanických vlastností. Čím si vysvětlujete, že v uvedené práci [37] byl kompozit HA+β-TCP méně pevný při podobné porozitě než čistý β-TCP v práci [36]?
  2. Jak byste stanovila hustotu gyroidu?
  3. Čím byl způsoben ohyb trámků ukázaných na Obr. 42?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová