Master's Thesis

Electromagnetic modulation of cellular behavior and new strategies for tissue engineering

Author of thesis: Ing. Tereza Havlíková

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Nikola Papež, Ph.D.

Reviewer: doc. Mgr. Zdenka Fohlerová, Ph.D.

Abstract:

Electrical and electromagnetic in vitro stimulation is used in tissue engineering primarily to influence cell proliferation and viability, thereby promoting regenerative processes. However, conventional direct electrical stimulation based on contact with electrodes is limited by electrochemical side effects, the risk of contamination, and lower reproducibility. This work therefore focuses on a contactless alternative based on electromagnetic induction and compares it with selected approaches to direct electrical stimulation. Experiments were conducted on the HT-1080 cell line cultured on fibrous scaffolds made of biocompatible polyvinylidene fluoride (PVDF), which, in addition to providing mechanical support, can contribute to stimulation due to its piezoelectric effect. The aim of the study was to verify the functionality and stability of the proposed induction system, evaluate the influence of stimulation parameters on the cellular response, and assess the impact of the field on the integrity of the scaffold. The results confirmed the proper operation of the induction system and a more stable stimulation profile compared to direct electrical stimulation, with no damage to the scaffold observed. The key parameters of induction stimulation were found to be the waveform of the excitation signal and the amplitude of the magnetic induction. The highest cell confluence was achieved using a triangular excitation signal with a frequency of 20 Hz and a magnetic induction amplitude of 2 mT. The proposed system thus represents a validated solution for contactless cell stimulation with defined excitation parameters that lead to an increase in their proliferative activity.

Keywords:

tissue engineering, polyvinylidene fluoride, scaffold, electrical stimulation, electromagnetic stimulation, electrospinning, nanofibers, piezoelectric effect, HT-1080 cell line

Date of defence

16.06.2026

Date of publish

15.06.2028

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. Doc. Vítek položil otázku na zvolení jednotné hodnoty frekvence pro sinusové i trojúhelníkové buzení. doc. Kolář položil otázku na navržení cívky. Co je uvnitř cívky a jak byla navrhována. Studentka obhájila diplomovou práci a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Bioengineering (MPC-BIO)

Composition of Committee

doc. Ing. Martin Rožánek, Ph.D. (předseda)
doc. Ing. Radim Kolář, Ph.D. (místopředseda)
doc. Mgr. Zdenka Fohlerová, Ph.D. (člen)
prof. Eric Daniel Glowacki, Ph.D. (člen)
Ing. Martin Vítek, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Nikola Papež, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Terezy Havlíkové plně a na excelentní úrovni splňuje všechny body zadání. Studentka v ní úspěšně zvládla přípravu polymerních PVDF skafoldů elektrostatickým spřádáním, jejich následnou povrchovou modifikaci i kultivaci buněčné linie HT-1080. Navrhla a realizovala experiment pro porovnání přímé elektrické stimulace s neinvazivní induktivní elektromagnetickou stimulací. Zatímco u přímé stimulace detailně zdokumentovala technologické limity vyplývající z elektrochemických dějů, vyvinutý elektromagnetický indukční systém prokázal vysokou stabilitu a bezpečnost. Dalším tvůrčím přínosem autorky je také vyvinutí vyhodnocovacího softwaru pro detekci buněčné konfluence. Vysoká vědecká hodnota této práce je také podpořena druhým místem v soutěži FEKTTeams 2025, dále podanou patentovou přihláškou na použitý systém elektromagnetické stimulace i připraveným odborným článkem k publikaci v impaktovaném časopise. Studentka po celou dobu vykazovala mimořádnou samostatnost, badatelskou iniciativu a výbornou orientaci v literatuře. Text práce je typograficky i stylisticky na profesionální úrovni. Tento téměř pětiletý výzkum tak úspěšně navazuje na bakalářskou práci, rozvíjí její dřívější vydané prvoautorské publikace, a je podložen také i předchozími výhrami v studentských soutěžích a nadále tak potvrzuje dosavadní kvalitu práce. Doporučuji jí tedy k obhajobě s hodnocením 100/A. Points proposed by supervisor: 100

Grade proposed by supervisor: A

Diplomová práce Bc. Terezy Havlíkové se zabývá elektromagnetickou modulací buněčného chování a jejím využitím v oblasti tkáňového inženýrství. Autorka se zaměřuje na zhotovení a aplikaci bezkontaktní metody stimulace buněk pomocí elektromagnetické indukce na piezoelektrických vláknech, která představuje bezpečnější alternativu k přímému elektrickému působení.
1. Splnění požadavků zadání
Předložená diplomová práce plně splňuje všechny body zadání. Studentka vypracovala hlubokou rešerši v oblasti stimulace buněk a piezoelektrických skafoldů, navrhla a realizovala experimentální systém pro indukční i přímou stimulaci, připravila polymerní nosiče metodou elektrostatického zvlákňování a provedla komplexní testování na buněčné linii HT-1080. Výsledky byly podrobně analyzovány pomocí mikroskopických technik a statisticky vyhodnoceny v prostředí MATLAB.
2. Prezentační úroveň technické zprávy a její rozsah
Rozsah textové části práce (od úvodu po závěr) činí 76 normostran, což mírně přesahuje doporučený rozsah 50–70 stran. Toto navýšení je však zcela opodstatněné vzhledem k množství provedené experimentální práce. Celkově je práce vhodně strukturována a poskytuje detailní popis technologických i biologických postupů. Vytkla bych zde jen pár nedostatků týkajících se například:
- více přehledněji prezentované experimentální části
- uvedení počtu vzorků, ze kterých byla provedena statistika
- postrádám ukázky uspořádání vláken vyrobených za různých rotačních rychlostí válce a vlivu na buňky, které popisujete pouze slovně. Dále není jasné, na jakých vzorcích PVDF byly následné experimenty, včetně stimulačních, provedeny.
3. Formální úprava a jazyková úroveň
Jazyková úroveň je velmi vysoká; studentka používá přesnou odbornou terminologii v češtině i angličtině (v abstraktu) a text nevykazuje výrazné gramatické či stylistické nedostatky. Grafické přílohy jsou vhodně zpracované. Celkově je práce po formální úrovni velmi pěkná.
4. Práce s literaturou
Studentka prokázala nadstandardní schopnost práce s odbornou literaturou. Seznam literatury obsahuje 92 relevantních zdrojů. Citace jsou v textu uváděny v souladu s normami a autorka dokázala získané poznatky kriticky porovnávat s vlastními experimentálními daty v obsáhlé diskusi.
5. Odborná úroveň, využitelnost výsledků a realizační výstup
Odborná úroveň práce je vynikající. Autorka prokázala mezioborové znalosti na pomezí elektrotechniky, materiálových věd a biologie. Mezi klíčové přínosy patří:
•    Realizační výstupy: Konstrukce funkčního indukčního systému s 3D tištěným obalem a vývoj poloautomatického softwarového nástroje v MATLABu pro analýzu buněčné konfluence.
•    Využitelnost: Výsledky prokazující efektivitu trojúhelníkového budicího signálu pro stimulaci proliferace buněk (nárůst na 27,39 % oproti kontrolám) mají přímý potenciál pro optimalizaci protokolů v tkáňovém inženýrství.

Souhrnné hodnocení a klasifikace
Diplomová práce Bc. Terezy Havlíkové představuje vysoce kvalitní práci, která přináší cenné poznatky o elektromagnetické stimulaci buněk na piezoelektrických nosičích.
Navržené hodnocení: 96 bodů (A – výborně) Topics for thesis defence:
  1. 1. Jak dosahujete pevné a stabilní adhezivnosti vláken na plast během experimentu v kultivačním médiu a jak odstraňujete vlákna z alobalu po zesítění bez narušení jejich struktury?
  2. 2. Obr. 7.4 – PVDF vlákna jsou charakteristická poměrně značnou autofluorescencí, zvláště při barvení DAPI nebo FITC. Ze snímků, včetně SEM, je zřejmé, že se buňky nacházejí víceméně na povrchu skafoldu. Je toto ten cíl nebo je smyslem vytvořit 3D skafoldu s integrovanými buňkami uvnitř strukturní vlákenné sítě?
  3. 3. Lze nějakým způsobem zjistit, zda se při elektromagnetické stimulaci (popř. obecně) uplatnil také piezoelektrický efekt?
Points proposed by reviewer: 96

Grade proposed by reviewer: A

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

Intellectual property protection for the ongoing patent proceedings regarding the aforementioned method and apparatus.
Ensuring the exclusivity of data for the peer-review process and subsequent publication in a peer-reviewed scientific journal, which requires that the results not be disclosed beforehand.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová