Bachelor's Thesis

Polysaccharide hydrogels as carriers of plant extracts with antimicrobial effect for the treatment of mastitis in cattle

Author of thesis: Bc. Anežka Marie Herciková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Jana Brtníková, Ph.D.

Reviewer: Ing. Gabriela Konečná

Abstract:

This bachelor's thesis focuses on the development and characterization of injectable polysaccharide-based hydrogels as a suitable carrier for selected antimicrobial plant extracts, aiming at potential applications in veterinary medicine, specifically for the treatment of bovine mastitis.

The experimental phase involved extensive optimization of the cellulose-derivative hydrogel preparation process, identifying the biopolymer granulometry used and the viscosity of the plant extract as critical parameters for structural integrity and swelling kinetics. The rheological properties and erosion resistance of the hydrogels in a simulated mammary gland environment (i.e., unpasteurized milk at physiological temperature) were evaluated using the shear complex modulus and kinetic studies. The results demonstrate that the hydrogel samples with the addition of clove extract provide the highest mechanical stability and structural robustness. Antimicrobial assays confirmed the hydrogel matrix's efficacy in delivering bioactive compounds into the surrounding environment. This work serves as a pilot study, establishing essential technological protocols and outlining future research directions, particularly regarding drug release kinetics and in vivo validation.

Keywords:

Bovine mastitis, hydrogels, cellulose derivatives, plant extracts, antimicrobial activity, drug delivery systems.

Date of defence

16.06.2026

Date of publish

15.06.2031

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Herciková Anežka Marie 1. Studentka seznámila členy komise s náplní a cílem bakalářské práce. 2. Byly přečteny posudky na bakalářskou práci. 3. Studentka akceptovala všechny připomínky oponentky a na všechny otázky odpověděla v plné šíři. Diskuse: prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. Proč testujete gely v prostředí mléka? Jakým způsobem chcete v tomto prostředí udržet sterilitu? Jakým způsobem se běžně ošetřují postižená vemena? Testovali jste antimikrobiální účinky pouze na oportugenních nebo i jiných patogenech? Mohou být ovlivněné senzorické vlastnosti mléka po ošetření gelem? Mohly by tyto preparáty zcela nahradit antibiotickou léčbu? Bylo uvažováno o podobnou aplikaci na zánět mléčných žláz u žen? doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. Jak dlouho udržují popisované gely stabilitu? Byla měřena účinnost daných preparátů? Studentka odpověděla na všechny doplňující otázky členů komise, které byly v průběhu diskuse k dané problematice vzneseny. V diskusi studentka prokázala výbornou orientaci v dané problematice. Po diskusi následovalo hodnocení závěrečné práce. Studentka prokázala nejen výborné odborné znalosti, ale i schopnost samostatné prezentace dosažených výsledků.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Chemistry and Technology of Foodstuffs (BPCP_CHTPO)

Specialization

Biochemical Technology (BT)

Composition of Committee

prof. RNDr. Ivana Márová, CSc. (předseda)
doc. Ing. Pavel Diviš, Ph.D. (místopředseda)
prof. Ing. Stanislav Obruča, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Adriána Kovalčík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Eva Vítová, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jana Brtníková, Ph.D.

Předložená bakalářská práce studentky Anežky Marie Hercikové o celkovém počtu 82 stran je vypracována v anglickém jazyce na velmi dobré úrovni. Práce je sepsána přehledně a systematicky a jednotlivé kapitoly na sebe logicky navazují. Teoretická část poskytuje přehledné shrnutí současného stavu v oblasti terapeutických přístupů k léčbě mastitid u skotu, zejména na nejčastěji používaná antibiotika, jejich účinek, výhody i rizika, včetně rozvoje rezistence a přítomnosti reziduí v mléce, dále na vlastnosti polysacharidových hydrogelů a možnosti jejich využití jako perspektivních nosičů bioaktivních látek a dále na přírodní antimikrobiální aditiva – zejména rostlinné extrakty – jako možné alternativy k antibiotikům v terapii mastitid.
Hlavním cílem této práce bylo navrhnout a optimalizovat složení a postup přípravy polysacharidového hydrogelu jako vhodného nosiče pro inkorporaci vybraných rostlinných extraktů s prokázaným antimikrobiálním účinkem a následnou charakterizaci celého systému z pohledu fyzikálně-chemických a biologických vlastností včetně stanovení antimikrobiální účinnosti jak jednotlivých extraktů, tak hydrogelů s již inkorporovanými extrakty. V průběhu optimalizace přípravy hydrogelu a následné inkorporace rostlinných extraktů bylo sledováno, jakým způsobem různé materiálové složení čisté matrice, tak i matrice s přídavky extraktů ovlivňuje sledované parametry: injektabilitu, viskozitu, tixotropní vlastnosti, mechanickou a hydrolytickou stabilitu, biokompatibilitu a cytotoxicitu. Vzhledem k časové náročnosti inkorporace extraktů do hydrogelových matric i jejich následného testování, zejména z hlediska antimikrobiální účinnosti, kdy bylo nutné jednotlivé metodiky pro daný hydrogel–extrakt systém optimalizovat, nebylo možné v rámci této práce realizovat sledování uvolňování extraktů z matrice ani navazující in vivo testování. Práce byla primárně zaměřena na otestování vhodnosti tohoto systému pro inkorporaci vybraných rostlinných extraktů.
Studentka v průběhu celé bakalářské práce prokázala vynikající logické myšlení, píli, pečlivost a samostatnost, jak při plánování a realizaci experimentů, tak při následném vyhodnocování a interpretaci naměřených dat, kdy hojně využívala poznatků získaných na základě zpracované literární rešerše, která čítala celkový počet odkazů 107. Studentka v rámci vypracovávání své práce naměřené výsledky pravidelně konzultovala a přicházela s novými nápady. Domluvené termíny konzultací vždy spolehlivě dodržovala.
Přestože cíle bakalářské práce nebyly z uvedených důvodů splněny v plném rozsahu, jedná se o rozsáhlou pilotní studii s velkým množstvím experimentálních dat a výsledků. Bylo prokázáno, že hydrogel–extrakt systém představuje vhodný nosič bioaktivních látek a vykazuje potenciál pro budoucí aplikace v léčbě mastitid u dojného skotu. Získané výsledky zároveň poskytují pevný základ pro navazující výzkum zaměřený na studium uvolňování účinných látek a následné in vivo ověření účinnosti systému.
Závěrem tedy shrnuji, že zadání bakalářské práce bylo splněno a práci hodnotím známkou A/výborně.
Evaluation criteria Grade
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results A
Conclusions and Their Formulation A
Use of Consultations during the Preparation of the Thesis A
Overall Approach to the Assigned Tasks A
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Study and Processing of the Literature A
Use of Knowledge Gained from the Literature A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Gabriela Konečná

Bakalárska práca s názvom Polysaccharide Hydrogels as Carriers of Plant Extracts with Antimicrobial Effect for the Treatment of Mastitis in Cattle sa zaoberá aktuálnou problematikou využitia polysacharidových hydrogélov ako nosičov rastlinných extraktov s antimikrobiálnym účinkom pre terapiu mastitíd u hovädzieho dobytka.

Jednotlivé kapitoly práce na seba logicky nadväzujú a teoretická časť je prehľadne spracovaná. Študentka pri vypracovaní využila 94 literárnych zdrojov, čo zodpovedá rozsahu bakalárskej práce a zároveň svedčí o dobrej orientácii v danej problematike.

Experimentálna časť je tiež detailná a systematicky spracovaná. Z textu vyplýva, že návrhu optimálneho zloženia predchádzala rozsiahla experimentálna činnosť zahŕňajúca prípravu približne dvadsiatich formulácií s dvoma typmi karboxymetylcelulózy. Dosiahnuté výsledky študentka porovnáva s dostupnou literatúrou.

Práca obsahuje niekoľko drobných nedostatkov, ktoré však neznižujú jej odbornú úroveň. Niektoré obrázky sú v nižšom rozlíšení a v texte sa vyskytujú ojedinelé preklepy. V kapitole 4.4.6.2 nie je jednoznačne špecifikované médium použité na riedenie extraktov. V experimentálnej časti tiež chýba údaj o molekulovej hmotnosti použitej karboxymetylcelulózy, ktorá môže významne ovplyvniť viskozitu, injektabilitu a stabilitu hydrogélov. Pre lepšiu prehľadnosť by bolo vhodné priložiť sumárnu tabuľku všetkých pripravených skríningových formulácií.

V zozname použitej literatúry nie je dôsledne dodržaný jednotný citačný štýl, niektoré odborné publikácie sú uvedené vo forme webových stránok a v niektorých prípadoch citácia úplne chýba.

Celkovo ide o kvalitne spracovanú prácu s vysokou odbornou úrovňou. Študentka preukázala schopnosť samostatne navrhnúť a realizovať experimentálnu štúdiu a získané výsledky adekvátne interpretovať. Zadanie bakalárskej práce bolo splnené v plnom rozsahu. Prácu odporúčam k obhajobe a hodnotím známkou A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of the Assignment Requirements A
Logical Structure of the Thesis A
Quality of the Results A
Interpretation and Discussion of the Results A
Use of Literature and Citations B
Language Quality A
Overall Formal Quality of the Thesis A
Conclusions and Their Formulation A
Topics for thesis defence:
  1. 3. Vo svojej práci uvádzate, že veľkosť častíc karboxymetylcelulózy významne ovplyvňuje kinetiku hydratácie hydrogélu (Figure 23 a Figure 24). Aký mechanizmus podľa Vás stojí za rozdielnym správaním hydrogélov pripravených z práškovej a granulovanej formy karboxymetylcelulózy?
  2. 1. Prečo boli pre prípravu hydrogélových systémov vybrané práve tieto extrakty (Matricaria chamomilla, Thymus vulgaris, Cetraria islandica, Agrimonia eupatoria, Syzygium aromaticum)?
  3. 2. Na strane 48 diskutujete úlohu iónov Ca²⁺ pri zosieťovaní hydrogélových matríc obsahujúcich extrakty harmančeka a tymianu. Prečo sa podľa Vás tento efekt neprejavil vyššou stabilitou hydrogélov, ale naopak ich rýchlejšou degradáciou?
Points proposed by reviewer: 95

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

Publication of diploma thesis, resp. its chapter "Experimental Part" is in accordance with the provision of § 47b, paragraph 4 of Act No. 111/1998 Coll., on Higher Education Institutions, postponed. The reason for postponing the publication is the fact that the diploma thesis, respectively, the chapter "experimental part" contains information protected by special legal regulations (e. g. No. 527/1990 Coll., on Inventions and Improvement Proposals).

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová