Studium

Co je biomechanika?

Biomechanika se snaží o pochopení funkce lidského těla, jako mechanického systému. Propojuje poznatky z biologie, fyziky, medicíny, mechaniky a strojírenství. Její aplikace jsou rozsáhlé a zahrnují oblasti od výroby umělých orgánů, nastavení optimální rehabilitace až po zlepšení sportovních výkonů, nastavení vhodné ergonomie nebo filmový a herní průmysl.

Co se naučíte?

  • Porozumět mechanice lidského těla
  • Osvojit si principy mechaniky biologických tkání
  • Aplikovat metodu konečných prvků (MKP) a simulace
  • Připravit se na kariéru ve výzkumu a vývoji
  • Pracovat s pokročilými experimentálními metodami
  • Využívat moderní technologie a nástroje
  • Získat praktické dovednosti
  • Naučit se pracovat v týmu a spolupracovat napříč obory

Předměty

Biomechanika I.

Biomechanika I navazuje na předměty Mechanika III Alfa a Pružnost a pevnost II Alfa a rozšiřuje znalosti zde získané a aplikuje je na řešení problémů mechaniky živých materiálů či materiálů s materiály živými reagujícími. Základem je pochopení vztahu mezi strukturou a funkcí jednotlivých tkání lidského organismu.

Biomechanika II.

Předmět poskytuje výklad principů modelování v úlohách biomechaniky. Praktická aplikace je provedena v úlohách pružnosti aplikovaných na cévy a úlohách kinematiky a dynamiky aplikovaných v segmentech svalově-kosterního systému.

Biomechanika III.

Předmět navazuje na předměty specializace Biomechanika I a Biomechanika II. Cílem je poskytnout praktické znalosti a dovednosti nutné pro klinickou aplikaci dosavadních znalostí. Do výuky předmětu jsou proto zapojeni také odborníci z klinické praxe.

Patobiomechanika

Patobiomechanika zkoumá vzájemnou souvislost mezi mechanickým zatížením, mechanickým chováním a vznikem a vývojem patologických stavů.

Nanobiomechanika

Nanobiomechanika rozšiřuje znalosti získané v oblasti mechaniky a aplikuje je na analýzu celulárních a subcelulárních struktur.

Projekt I.

Zkratka: PRO1, Kredity: 5, Rozsah: 0P+5C, Zakončení: Z

V rámci projektu posluchač rozvíjí a získává další znalosti související s jeho dalším zaměřením. Projekt je obvykle vázán k předmětu/ům absolvovaným v aktuálním semestru.

Projekt II.

Zkratka: PRO2, Kredity: 5, Rozsah: 0P+5C, Zakončení: Z

V rámci projektu posluchač rozvíjí a získává další znalosti související s jeho dalším zaměřením. Projekt je obvykle vázán k předmětu/ům absolvovaným v aktuálním semestru.

Projekt III.

Projekt je obvykle vázán k předpokládanému zadání diplomové práce. V rámci závěrečného projektu získá student další podklady pro řešení DP, výstupem projektu je odborná rešerše zadané problematiky.

Úvod do aplikované mechaniky a mechatroniky

Kredity: 2, Rozsah: 0P+2C, Zakončení: Z

Cílem předmětu je seznámit posluchače s obsahem inženýrské práce po absolvování oborů Aplikovaná mechanika, Mechatronika, Biomechanika a lékařské přístroje, Přístrojová a řídicí technika, Matematické modelování v technice formou ukázky typického inženýrského projektu v jednom z těchto oborů. Studenti jsou po úvodním přehledu oborů v trvání 2 týdnů rozděleni do týmů po 5 studentech a týmy si zvolí projekty. Jednotlivé týmy sledují zvolený projekt návrhu jistého výrobku v oboru v trvání 7 týdnů. Následně v trvání 2 týdnů navštíví exkurzí některé podniky v oboru a připravují prezentaci obsahu projektu pro ostatní. V posledních 2 týdnech studenti prezentují obsah svého projektu pro ostatní. Příklady projektů: návrh vozítka SegWay, návrh robota, návrh bezpilotního letadla, vývoj protézy kolena, vysokootáčkový elektromotor, mikroobrábění, návrh turbíny.

Základy anatomie a fyziologie I.

Zkratka: ZAF1, Kredity: 6, Rozsah: 3P+2C, Zakončení: KZ

Předmět Základy anatomie a fyziologie I poskytuje teoretický základ pro studium bioinženýrských oborů. Studenti se v průběhu tohoto kurzu seznámí se stavbou lidského těla, strukturou a funkcí orgánů a získají potřebné informace pro pochopení fyziologických i patofyziologických procesů. Výuka je rozdělena na přednášky a praktická cvičení, během kterých se studenti prakticky seznámí se stavbou těla na modelech a dostupných lidských preparátech. Předmět Základy anatomie a fyziologie I je zaměřen především na pohybový aparát, dýchací a trávicí ústrojí.

Základy anatomie a fyziologie II.

Předmět Základy anatomie a fyziologie II poskytuje teoretický základ pro studium bioinženýrských oborů. Studenti se v průběhu tohoto kurzu seznámí se stavbou lidského těla, strukturou a funkcí orgánů a získají potřebné informace pro pochopení fyziologických i patofyziologických procesů. Výuka je rozdělena na přednášky a praktická cvičení, během kterých se studenti prakticky seznámí se stavbou těla na modelech a dostupných lidských preparátech. Předmět Základy anatomie a fyziologie II je zaměřen především na orgány, jejich soustavy a nervový systém.

Biomateriály a biotolerance

Zkratka: BB, Kredity: 3, Rozsah: 2P+0C, Zakončení: ZK

Biokompatibilita – základní pojmy a definice. Biomateriály – přehled, užití v medicíně. Vlastnosti a struktura materiálů a jejich vztah k živému systému. Metody určení struktury a složení materiálu. Mechanické vlastnosti biomateriálů: kovy, keramika, plasty, uhlík, kompozity. Testy biokompatibility.

Témata pro rok 2024/2025

Návrh přípravku pro uchycení vzorků pro nanoindentor

Vedoucí: Ing. Jakub Kronek, Ph.D.

https://kos.cvut.cz/topics-listed/1248723196305

Cíle práce:

  • Seznámit se s metodami nanoindentace a Ramanovy spektroskopie
  • Navrhnout přípravek pro spolehlivé uchycení vzorků (kolmo k hrotu indentoru a všechny vzorky ve stejné výšce)
  • Provést zkušební měření vzorků z tzv vysokomolekulárního polyethylenu (UHMWPE) – nanoindentace + Raman

Mikromechanické vlastnosti kloubních náhrad z UHMWPE

Vedoucí: Ing. Vlastimil Králík, Ph.D.

Cíle práce:

  • Identifikace nejvíce a nejméně namáhaných míst
  • Měření pomocí nanoindentace spojené s Ramanovou spektroskopií
  • Návrh na zpracování výsledků Ramanova spektra – navržení skriptu pro zpracování naměřených spekter např. v Matlabu
  • Zhodnocení rozdílu v mechanických vlastnostech v jednotlivých oblastech kloubní vložky

Návrh parametrů experimentu umělého stárnutí UHMWPE

Vedoucí: Ing. Vlastimil Králík, Ph.D.

Motivace: U PE náhrad není známa míra vlivu mechanického zatěžování a míra vlivu působení okolního prostředí na degradaci materiálu (otěr, oxidaci, delaminaci, krystalinitu), které způsobuje celkové selhávání náhrady UHMWPE.

Cíle práce:

  • Rešerše literatury a návrh experimentu umělého stárnutí UHMWPE (peroxid vodíku, ionizační záření)
  • Měření změn v materiálu pomocí Ramanovy spektroskopie a nanoindentace
  • Ohodnocení vlivu okolního prostředí na degradaci UHMWPE. Korelace navržených parametrů experimentu se změnami struktury materiálu.

Mechanické vlastnosti složek kompozitní cévní náhrady na bázi kolagenu

Vedoucí: Ing. Hynek Chlup, Ph.D.

Spolupráce na projektu: NW24-02-00206 Biomimetická cévní náhrada pro nízké průtoky umožňující fyziologický přenos pulzní vlny

Matrice náhrady bude z rybího kolagenu. Kolagenní gel bude různé koncentrace a modifikován technologicky extruzí nebo beta radiací. To vše ovlivní jeho fyzikální vlastnosti. Výztuha náhrady bude z polyesterové pleteniny, která bude tepelně tvarově modifikována. Technologie pletení a tvarovaná modifikace ovlivní vlastnosti scaffoldu. Jaká bude změna fyzikálních vlastností matrice a scaffoldu cévní náhrady po výše uvedených modifikacích?

Mechanické vlastnosti kompozitní cévní náhrady pro nízké průtoky a malé světlosti s biologickou matricí

Vedoucí: Ing. Hynek Chlup, Ph.D.

Spolupráce na projektu: NW24-02-00206 Biomimetická cévní náhrada pro nízké průtoky umožňující fyziologický přenos pulzní vlny

Matrice náhrady bude z rybího kolagenu. Náhrada bude mít kompozitní, sendvičovou, tavbu stěny. Po limitní dilataci bude v matrici integrován scaffold, pletenina z monofilních polyesterových vláken. Jaká bude změna fyzikálních vlastností tubulární náhrady při různé sendvičové konstrukci stěny? Jak dobrá bude vazba mezi umělým a biologickým polymerem (scaffolf vs matrice)? Jak ovlivní kompozitní trubici míra dívky beta radiace jako simulace sterilizace?

Vstřebatelná kostní náhrada

Vedoucí: Ing. Kristýna Kubášová

  • Cílem projektu je vyvinout novou injektovatelnou resorbovatelnou náhradu kosti pro regeneraci kostních defektů zasažených infekcí
  • Osteoinduktivní kostní pasta na bázi fosforečnanu vápenatého, biopolymeru a termocitlivého polymeru
  • ČVUT: charakterizace mechanických vlastností několika materiálových variant kostní náhrady
  • ČVUT: popis degradačního chování v simulovaných tělních podmínkách
  • ČVUT: biomechanická analýza schopností náhrady vytvořit funkční spojení fragmentů kosti (mechanické zkoušky explantovaných kostí)
  • Víceoborový projekt, spolupráce prestižních pracovišť, možnost účastnit se in vivo experimentů, spolupráce na projektu s reálným výstupem, výsledky významné pro klinickou praxi
  • FN v Motole, CEITEC VUT Brno, FS ČVUT v Praze, ÚEM AVČR, LF v Plzni UK

Komplexní in vitro, ex vivo a in vivo experimentální studie osteoindukčního fosfátového lepidla určeného pro lepení kostních zlomenin a provádění artrodéz

Vedoucí: Ing. Kristýna Kubášová

  • Je možné použít injekční resorbovatelné kostní lepidlo ke spojení malých kostních fragmentů, které po zpevnění v kombinaci s vnitřní fixací umožní okamžité zatížení poraněné končetiny?
  • Tlakové zkoušky různých typů cementových lepidel v různých simulovaných tělesných prostředích po různou dobu degradace
  • Ohybové zkoušky kostí a hodnocení adheze (kadaverozní modely)
  • Možnost BP/DP – práce v LMZ, účast na in vivo implantacích/explantacích, účast při přípravě lepidla…

Nanovlákenné nitě jako nosiče antibiotik

Vedoucí: doc. Ing. Tomáš Suchý, Ph.D.

  • Cílem projektu je otestovat nové nanovlákenné chirurgické nitě laboratorně vyráběné metodami střídavého elektrostatického zvlákňování, zjistit jejich potenciál pro funkcionalizaci a otestovat jejich mechanické, fyzikálně-chemické a biologické vlastnosti
  • světově jedinečná technologie střídavého elektrického zvlákňování, nanovlákenné příze
  • ČVUT: charakterizace mechanických vlastností několika materiálových variant čistě nanovlákenného šicího materiálu
  • ČVUT: popis degradačního chování v simulovaných tělních podmínkách
  • ČVUT: korelace pracovních diagramů s obrazovým záznamem z elektronového mikroskopu (orientace svazků vs. mechanika)
  • TUL, FS ČVUT, Ústav experimentální medicíny AVČR

Výzkum a vývoj stabilizačních kotvících systémů pro zajištěnou intramedulární osteosyntézu

Vedoucí: Ing. Adam Kratochvíl, Ph.D.

  • Vývoj stabilizace a kotvícího systému intramedulárního hřebu – zajištění šroubem do biodegradovatelného polymeru / samorozevírací mechanismus
  • Zavedení postupné dynamizace zlomeniny v průběhu hojení, tak jak je tomu u dlahování i do hřebování a to pomocí vložek z biodegradabilního polymeru, který si sami tiskneme
  • Práce v LMZ: Mechanické testování biodegradabilního polymeru v různých fázích degradace, mechanické testování nových designů humerálního hřebu v rozsahu akreditace
  • Možnost BP/DP – BP – degradace biokompatibilního polymeru

Využití umělé inteligence v konstrukci custom-made implantátů aneb vývoj nástroje pomocného autonomního konstrukčního nástroje

Vedoucí: prof. RNDr. Matej Daniel, Ph.D.

  • Vývoj AI (deep learning) konstrukčního nástroje, který by na základě CT pacienta vybral vhodný implantát z databáze, a pokud by nevyhovoval sériově vyráběný kus, navrhnul geometrii nového custom-made implantátu
  • Možnost rozšíření na algoritmus pro sériovou výrobu a pevnostní výpočty daného kusu
  • Možnost rozšíření na algoritmus pro různé druhy materiálů – algoritmus vybere různé moduly z různých druhů materiálů (3D tisk v kombinaci s konvenční výrobou)
  • Možnost DP a případné pokračování na Disertační práci
  • Spolupráce s firmou MEDIN a ProSpon – případná možnost DPP

Mechanická a marketingová analýza portfolia formy MEDIN

Vedoucí: Ing. Kristýna Kubášová, Ing. Veronika Drátovská

  • Výběr implantátu z portfolia firmy MEDIN (např. dlaha distálního radia)
  • Pevnostní výpočty na reálném modelu (MKP) a/nebo Experimentální analýza v laboratoři mechanických zkoušek – následný návrh nové geometrie nebo materiálu
  • Rešerší práce daného implantátu na trhu – analýza geometrií a použití
  • Možnost BP/DP – spolupráce s výrobcem traumatologických implantátů, práce v laboratoři/práce v MKP softwaru, marketingová studie
  • Spolupráce s firmou MEDIN – případná možnost DPP

Využití metody konečných prvků při vývoji zdravotnických prostředků

Vedoucí: Ing. Lukáš Zach, Ph.D.

Využití MKP mj. při pevnostních analýzách, optimalizaci tvarů, simulaci zatížení a v kombinaci s dalšími matematickými výpočty např pro predikci remodelace kosti (součást Grantu FW06010215 Výzkum a vývoj stabilizačních kotvících systémů pro zajištěnou intramedulární osteosyntézu (2023-2026).

A další v naleznete v KOSu

(KOS – Státní zkoušky – Vypsaná témata závěrečných prací – zaškrtnout pole: Zobrazit témata celé fakulty – a nakonec v seznamu vyhledávat, např. biomechanika + filtrovat B a N program)

E-mail:

infobio@fs.cvut.cz