Pracoviště

Laboratoř experimentální biotribologie

Prof. Ing. Svatava Konvičková CSc.

Vedoucí:

Pracovníci:

Ing. Jakub Kronek Ph.D.

Popis:

Aktuální témata bakalářských prací 2018/2019

1) EXPERIMENTÁLNÍ STANOVENÍ TEPLOTNÍHO POLE UVNITŘ KOLENNÍ NÁHRADY ZA RŮZNÝCH PODMÍNEK

Student 1) provede rešerši (tření, disipovaná energie, přestup tepla a teplotní citlivost materiálů na otěr, 2) provede sérii experimentů na kolenním simulátoru pohybů a 3) ohodnotí vliv stanovených podmínek na ustálené teplotní pole. V závěru student posoudí, jestli teplotní diference významně ovlivní životnost náhrad. Práce bude mít klasickou strukturu a rozsah přibližně 30 stran textu.

2) UMĚLÉ KLOUBNÍ POUZDRO

Experimentální prostor otěrových zkoušek umělého kloubu je třeba uzavřít uvnitř deformovatelného pouzdra. Pouzdro musí jednak vydržet vysoký počet zátěžových cyklů, kdy se simuluje reálné namáhání kloubu, zároveň musí být pouzdro chemicky stabilní, aby se z něj nic škodlivého neuvolňovalo do lubrikantu. Úspěšné obhájení této bakalářské práce předpokládá vypracování rešerše na téma "jaké materiály přicházejí v úvahu", dále provedení série mechanických zkoušek s horkým kandidátem na úspěšný materiál pro toto pouzdro (polymer na bázi silikonu "Sylgard 184"), 3D návrh a tvarová optimalizace pouzdra pomocí MKP.

3) NÁVRH EXPERIMENTÁLNÍHO POSTUPU PRO TESTOVÁNÍ LOKETNÍCH NÁHRAD

Na rozdíl od testování životnosti kolenních a kyčelních kloubních náhrad, k testování náhrad loketního kloubu neexistuje jednoznačný návod (např. ISO norma). V laboratoři biomechaniky (FS ČVUT) byl navržen experimentální postup k testování loketních náhrad závěsného typu. Úkolem studenta bude 1) rozpracovat tento návrh do úrovně 3D modelu a výrobních výkresů a 2) nejexponovanější mechanické součásti, včetně náhrady samotné, podrobit pevnostním výpočtům (MKP). 3) provést diskusi stávajícího řešení, porovnat jej s literaturou a případně navrhnout jeho vylepšení.

4) BIOTRIBOLOGIE KŮŽE

Jaký vliv mají vlastnosti kůže (drsnost Ra, hydratace,...) a vlastnosti povrchu tělesa (drsnost Ra, smáčivost,...) na vzájemný součinitel tření? A bude mít vliv rychlost vzájemného posuvu nebo velikost přítlačné síly? Student se nejprve pokusí zodpovědět tyto otázky s pomocí vědeckých publikací (vypracuje rešerši), poté provede sérii jednoduchých experimentů za různých podmínek pomocí šestiosého silového snímače.

Laboratoř experimentální biotribologie (LEB) působí v rámci Laboratoře biomechaniky člověka, která je součástí ČVUT v Praze. Laboratoř je plně vybavena zařízeními umožňující studium biotribologických a biokorozivních vlastností komponent kloubních náhrad. V rámci experimentálních tribologických testů jsou vyhodnocovány míra a charakter poškození materiálů kontaktních dvojic. Jsou prováděny zjednodušené a realistické zkoušky nových a modifikovaných stávajících materiálů. K tomu byl navrženo a sestaveno nové testovací zařízení KKK ELO 2011, které umožňuje provádět experimenty za kinematických a dynamických podmínek blížících se situaci v kloubu po implantaci. Během návrhu metodiky testů, při tvorbě experimentálních přípravků a zařízení jsou využívány CAD technologie (Unigraphics, ProEngineer, Autodesk Inventor, GOM Inspect). Laboratoř spolupracuje s externími firmami působícími v medicínském a biomedicínckém odvětví, dále je navázána spolupráce s dalšími vědeckými institucemi u nás i v zahraničí.

Experimentální vybavení laboratoře:

4x nezávislé stolice simulátoru KKK ELO 2011 umožňující simulaci běžných zátěžných režimů kolene (chůze, chůze do schodů / ze schodů, běh, chůze se závažím, vstávání ze židle, atd.) i jiné způsoby zatěžování (pin on disc, ball on disc, atd.). Zařízení je osazeno přesnými jedno- nebo šesti-osými silovými snímači. Pracovní prostor testovaných kloubů bývá vyhříván na 37°C pomocí termostatu.

Systém na snímání korozivního potenciálu, pH a teploty - Magic XBC E (Gryf HB) + příslušné měřící elektrody. K čemu to je dobré? Ostré změny korozivního potenciálu mohou indikovat poškození povrchu. Může být tedy okamžitě zastaveno zatěžováné a porucha prozkoumána - viz. konkrétní projekt, který se touto metodou zabývá.

USB mikroskop (zoom až 800x) pro rychlé zkontrolování kontaktních ploch testovaných náhrad

WTW pH 315i/SET - set k ruční kontrole pH lubrikantu

Spider 8 HBM - měřící ústředna k nezávislému získávání a ukládání vnějších signálů (tlak, síla, poloha)

K vyhodnocení otěru ploch využíváme:

1) vizuelní kontrola - votky z mikroskopu případně foťáku

Snímek vzorku jamky malého kloubu z mikroskopu (zvětšeno 800x)

2) měření úbytku materiálu (objemu) - přesné skenování geometrie na novém zařízení firmy RedLux

Rekonstrukce plochy osmimilimetrové kloubní hlavice naskenované více jak 150 000 body. Barvy v tomto případě značí odchylku od nafitované střední kulové plochy. Možné je i srovnávat plochy kuliček před otěrovým experimentem a po něm (kde se "ošoupalo" kolik materiálu). Pro detailnější informace o tomto profilometru, klikněte zde.

3) měření úbytku materiálu (hmotnosti) - přesné vážení

4) analýza otěrových částic - jejich množství, tvar, cytotoxicita (vyhodnocováno ve spolupráci s Fyziologickým ústavem AV ČR na zařízení xCELLigence

částice

Vlevo: analýza tvaru otěrových částic, vpravo: měřící jednotka systému xCELLigence

Následující obrázky popisují konstrukční uspořádání jedné ze stolic simulátoru. Pro detailnější informace si stáhněte prezentaci o simulátoru

Schématicky znázorněné stupně volnosti simulátoru. Na obrázku je model simulátoru se standardním typem kolenní náhrady

závěsný Testování tzv. závěsného typu kolenní náhrady. Tento experimentální setup umožňuje online snímání korozivního potenciálu.

Testování malého kloubu (kloub palce ruky). Titanová kulová klavice povlakovaná DLC proti titanové nebo PEEKové jamce s nebo bez DLC.

Spolupráce:

Firmy: Beznoska, s.r.o., Medin Orthopaedic, a.s., ProSpon spol. s.r.o., HVM Plasma, s.r.o.