Bachelor's Thesis

Triboelectric vascular implant for real-time blood flow monitoring: design and optimization

Final Thesis 15.98 MB

Author of thesis: Bc. Karolína Klimentová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Pavel Tofel, Ph.D.

Reviewer: doc. Ing. Vladimír Holcman, Ph.D.

Abstract:

This bachelor thesis deals with the design, construction, and optimization of a triboelectric vascular graft based on the Liquid-Solid TENG principle for real-time blood flow monitoring. As part of the experimental phase, PDMS tube prototypes with varying numbers of ring electrodes were developed and tested, with a focus on enhancing sensor sensitivity through the removal of gas inclusions from the matrix and the modification of dielectric properties using barium titanate (BaTiO3). The thesis describes in detail the influence of these material and structural adjustments on the stability and magnitude of the generated signal. The highlight of the work is the in vivo preclinical validation on a porcine model in collaboration with IKEM, where the sensor’s ability to detect the heart rate of a living organism was demonstrated. This work thus confirms the potential of this technology for autonomous hemodynamic monitoring in clinical practice.

Keywords:

Triboelectric nanogenerators (TENG), vascular prostheses, blood flow monitoring, polydimethylsiloxane (PDMS), Liquid-Solid mode, electrodes, optimization, barium titanate, in vivo testing

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Studentka prezentovala výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Mgr. Čechová položila otázku: Uvedla by jste časovou osu průběhu řešení práce? Prof. Augustynek položil otázku: Co je hlavní cíl práce? Můžou hrál roli v nehomogenitě i krevní elementy? Ing. Mézl položil otázku: Zkoumala jste biokompatibilitu materiálu? Studentka obhájila bakalářskou práci a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Augustynek, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Mézl, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Tibor Stračina, Ph.D. (člen)
Mgr. Monika Čechová, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Smital, Ph.D. (člen)
Ing. Inna Zumberg (člen)

Supervisor’s report
Ing. Pavel Tofel, Ph.D.

Autorka práce Karolína Klimentová se zde zabývala vývojem triboelektrické cévní náhrady pro monitorování průtoku krve v reálném čase, kde se věnovala konstrukci, výrobě a optimalizaci této cévní náhrady. Předložená bakalářská práce se ze začátku zabývá komerčními cévními náhradami, pak popisuje triboelektrický jev a jeho možnosti využití v této aplikaci. Následně zmiňuje i další možnosti monitorování průtoku krve cévní protézou. Následuje praktická část, kde autorka podrobně popisuje návrh vlastní cévní náhrady, kterou pak realizuje a její funkčnost prověřuje na autorkou sestaveném pracovišti v laboratoři.  Práce je čtivá, jasně psaná a dostatečně citovaná. Autorka splnila zadání bakalářské práce, kdy došlo i k ověření funkčnosti vlastní navržené cévní náhrady na prasečím modelu v Institutu klinické a experimentální medicíny (IKEM). Karolína Klimentová prokázala významné vědecké schopnosti, kdy sama navrhla chytrou cévní náhradu s pomocí odborné literatury a tu pak vyrobila a optimalizovala. Konzultace měly převážně charakter diskusí nad poznatky získanými z vědecké literatury. Karolína Klimentová postupovala samostatně, s jasnou představou o směřování práce, přičemž řešené úkoly byly součástí projektu TAČR a významně přispívaly k jeho naplnění. Proto nelze hodnotit jinak než 100 bodů. Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Z předložené bakalářské práce je vidět, že autorka do řešení vložila velké množství času a praktické experimentální práce. Práce se zabývá jednak teoretickým rozborem triboelektrického jevu, ale i vlastním návrhem, výrobou a postupnými úpravami prototypů cévní náhrady. Velmi kladně hodnotím zejména množství připravených vzorků, výrobních přípravků a praktických postupů potřebných pro výrobu PDMS trubiček a integraci elektrod. Autorka se musela vypořádat s řadou technických problémů, například s homogenitou materiálu, výskytem bublin, volbou vhodných elektrod, stabilitou signálu a opakovatelností měření.
Z práce je dobře patrný postupný vývoj od jednodušších prototypů až po konstrukce vhodné pro laboratorní a preklinická ověření. Oceňuji také snahu o materiálovou optimalizaci pomocí příměsí a hledání parametrů, které vedou ke zvýšení amplitudy a stability generovaného signálu. Téma považuji za aktuální a perspektivní, protože oblast inteligentních cévních náhrad a autonomních senzorů má podle mého názoru značný potenciál pro další výzkum i budoucí praktické využití.
V práci je poměrně dobře popsán způsob měření generovaného triboelektrického signálu, včetně volby zatěžovacího odporu, vzorkovací frekvence a filtrace rušení. Výsledky jsou však hodnoceny především jen čistě podle amplitudy generovaného napětí. Pro budoucí využití bych uvítal proměřením závislosti výkonu na zatěžovacím odporu a určením optimální pracovní zátěže jednotlivých prototypů.
V práci bych také uvítal podrobněji zpracovat opakovatelnost měření, například pomocí statistického vyhodnocení více vzorků. Přestože dosažené výsledky jasně ukazují funkčnost navrženého principu, není zatím plně prokázána kvantitativní vazba mezi velikostí signálu a skutečným průtokem kapaliny.
Celkově bakalářskou práci hodnotím jako značně nadprůměrnou. Topics for thesis defence:
  1. Jakou elektroniku by bylo vhodné použít pro zpracování signálu z navržené cévní náhrady a jaký minimální výkon by musel senzor generovat, aby mohl pracovat autonomně?
  2. Jak by podle Vás měla vypadat další generace prototypu, zejména z hlediska konstrukce, elektrod a použitých materiálů?
Points proposed by reviewer: 95

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová