Solubility control of biodegradable starch-based packaging

Tato bakalářská práce se zabývá přípravou a testováním biodegradovatelných fólií na bázi škrobu. Cílem práce je laboratorní příprava fólií na bázi různých druhů škrobu, glycerolu, polyvinylalkoholu a s přídavkem plastifikátoru – kyseliny citronové. Byly použity čtyři různé druhy škrobu a dva druhy polyvinylalkoholu. V první sérii vzorků byl měněn poměr přidaného glycerolu k obsahu škrobu. Vzorky ve druhé sérii byly připraveny ve stejných poměrech, avšak s rozdílným PVA. Do poslední série vzorků byl navíc přidán roztok kyseliny citronové. Druhým cílem práce, po vylisování fólií, bylo stanovení jejich rozpustnosti a stability ve vodném prostředí v závislosti na poměru mezi přidaným glycerolem k obsahu škrobu, na druhu použitého polyvinylalkoholu, a na přídavku kyseliny citronové do směsi. Bylo zjištěno, že kyselina citronová má zřejmě vliv na chemickou strukturu fólií a tím ovlivňuje jejich rozpustnost ve vodném prostředí a rovněž mechanické vlastnosti. Ke studiu struktury fólií a objasnění jejího vlivu na rozpustnost byla použita infračervená spektrometrie s Fourierovou transformací (FTIR).This bachelor thesis deals with the preparation and testing of biodegradable films based on starch. The aim of the thesis is laboratory preparation of foils based on various types of starch, glycerol, polyvinylalcohol and with the addition of plasticizer – citric acid. Four different types of starch and two types of polyvinyl alcohol were used. In the first series of samples, the ratio of added glycerol to starch content was varied. Samples in the second series were prepared in the same ratios, but with different PVA. A citric acid solution was added into the last series of samples. The second aim of the thesis, after pressing the films, was to determine their solubility and stability in aqueous media depending on the ratio between added glycerol to starch content, the type of polyvinylalcohol used, and the addition of citric acid to the mixture. It has been found that citric acid appears to affect the chemical structure of the films and thus their solubility in aqueous media as well as their mechanical properties. Fourier-transform infrared spectroscopy (FTIR) was used to study the structure of the films and to elucidate its effect on solubility.

Evaluation of the Properties of PHB Composite Filled with Kaolin Particles for 3D Printing Applications Using the Design of Experiment

In the presented work, poly(3-hydroxybutyrate)-PHB-based composites for 3D printing as bio-sourced and biodegradable alternatives to synthetic plastics are characterized. The PHB matrix was modified by polylactide (PLA) and plasticized by tributyl citrate. Kaolin particles were used as a filler. The mathematical method “Design of Experiment” (DoE) was used to create a matrix of samples for further evaluation. Firstly, the optimal printing temperature of the first and upper layers was determined. Secondly, the 3D printed samples were tested with regards to the warping during the 3D printing. Testing specimens were prepared using the determined optimal printing conditions to measure the tensile properties, impact strength, and heat deflection temperature (HDT) of the samples. The results describe the effect of adding individual components (PHB, PLA, plasticizer, and filler) in the prepared composite sample on the resulting material properties. Two composite samples were prepared based on the theoretical results of DoE (one with the maximum printability and one with the maximum HDT) to compare them with the real data measured. The tests of these two composite samples showed 25% lower warping and 8.9% higher HDT than was expected by the theory

Poly(3-hydroxybutyrate) (PHB) and Polycaprolactone (PCL) Based Blends for Tissue Engineering and Bone Medical Applications Processed by FDM 3D Printing

In the presented work, poly(3-hydroxybutyrate)-PHB-based composite blends for bone medical applications and tissue engineering are prepared and characterized. PHB used for the work was in two cases commercial and, in one case, was extracted by the chloroform-free route. PHB was then blended with poly(lactic acid) (PLA) or polycaprolactone (PCL) and plasticized by oligomeric adipate ester (Syncroflex, SN). Tricalcium phosphate (TCP) particles were used as a bioactive filler. Prepared polymer blends were processed into the form of 3D printing filaments. The samples for all the tests performed were prepared by FDM 3D printing or compression molding. Differential scanning calorimetry was conducted to evaluate the thermal properties, followed by optimization of printing temperature by temperature tower test and determination of warping coefficient. Tensile test, three-point flexural test, and compression test were performed to study the mechanical properties of materials. Optical contact angle measurement was conducted to determine the surface properties of these blends and their influence on cell adhesion. Cytotoxicity measurement of prepared blends was conducted to find out whether the prepared materials were non-cytotoxic. The best temperatures for 3D printing were 195/190, 195/175, and 195/165 degrees C for PHB-soap/PLA-SN, PHB/PCL-SN, and PHB/PCL-SN-TCP, respectively. Their mechanical properties (strengths similar to 40 MPa, moduli similar to 2.5 GPa) were comparable with human trabecular bone. The calculated surface energies of all blends were similar to 40 mN/m. Unfortunately, only two out of three materials were proven to be non-cytotoxic (both PHB/PCL blends)

Poly(3-hydroxybutyrate) based materials for 3D printing in medical applications

Tato diplomová práce se zabývá přípravou a testováním 3D tištěných skafoldů pro kostní tkáňové inženýrství. Cílem práce je laboratorní příprava polymerních směsí na bázi poly(3-hydroxybutyrátu), polymléčné kyseliny a polykaprolaktonu a jejich zpracování do podoby 3D tiskových strun. Byly připraveny tři polymerní směsi, které byly zpracovány do podoby 3D tiskových strun. Pro vyhodnocení termických vlastností byla provedena diferenciální skenovací kalorimetrie, následně teplotní věžový test a test „warpingu“ pro stanovení zpracovatelských podmínek při 3D tisku. Nejnižší naměřený „warping“ koeficient byl 1,26 u směsi poly(3-hydroxybutyrátu) s polykaprolaktonem a změkčovadlem. Ke studiu mechanických vlastností materiálů byla použita tahová zkouška, tříbodová ohybová zkouška a tlaková zkouška. Skafoldy s různými povrchy pro kostní tkáňové inženýrství byly 3D tisknuty z připravených strun s cílem určit nejoptimálnější povrch pro proliferaci buněk. Pro stanovení povrchových vlastností a jejich vlivu na adhezi buněk bylo provedeno měření optického kontaktního úhlu s využitím metody OWRK pro výpočet povrchové energie. 3D vytištěné povrchy byly také podrobeny analýze drsnosti pomocí konfokálního mikroskopu, aby byla určena jejich drsnost a její vliv na kontaktní úhel s vodou a růst buněk. Nakonec v poslední části byly ve spolupráci s Ústavem experimentální medicíny AV ČR provedeny in vitro testy na skafoldech s cílem zjistit, zda jsou připravené materiály necytotoxické, a jak povrch skafoldu ovlivňuje růst a proliferaci buněk. Bylo zjištěno, že dva ze tří materiálů nejsou cytotoxické (obě směsi poly(3-hydroxybutyrátu) s polykaprolaktonem) a že jejich mechanické vlastnosti jsou srovnatelné s lidskou trabekulární kostí. Nejoptimálnějším povrchem pro růst buněk je pravděpodobně mřížka o průměru 50 m s drsností podél perimetru 1,9 m, což odpovídá kontaktnímu úhlu s vodou 74,1°.This master's thesis deals with the preparation and testing of 3D printed scaffolds for bone tissue engineering. The aim of the thesis is laboratory preparation of polymer blends on the basis of poly(3-hydroxybutyrate), poly(lactic acid) and polycaprolactone and their processing into the form of 3D printing filaments. Three polymeric blends were prepared and processed into the form of 3D printing filaments. Differential scanning calorimetry was conducted to evaluate the thermal properties, followed by temperature tower test and warping test to determine the processing conditions for 3D printing. The lowest warping coefficient was 1.26 for a blend of poly(3-hydroxybutyrate) with polycaprolactone and plasticizer. Tensile test, three-point flexural test and compression test were used to study the mechanical properties of materials. Scaffolds with different surfaces for bone tissue engineering were 3D printed from prepared filaments to determine the most optimal surface for cell proliferation. To determine the surface properties and their influence on cell adhesion, optical contact angle measurement with the use of OWRK method to calculate surface energy was conducted. 3D printed surfaces were also subjected to roughness analysis by confocal microscopy to determine their roughness and its effect on contact angle with water and cell growth. Finally, in the last part, in vitro tests on scaffolds were conducted in collaboration with the Institute of Experimental Medicine (Czech Academy of Sciences) to find out whether the prepared materials are non-cytotoxic and how the surface of scaffold affects the cell growth and proliferation. In the end, two out of three materials were proven to be non-cytotoxic (both blends of poly(3-hydroxybutyrate) with polycaprolactone) and that their mechanical properties were comparable with human trabecular bone. The most optimal surface for cell growth is probably grid diameter 50 m with roughness along the perimeter 1.9 m, which corresponds with water contact angle 74.1°.

Poly(3-hydroxybutyrate) based materials for 3D printing in medical applications

Tato diplomová práce se zabývá přípravou a testováním 3D tištěných skafoldů pro kostní tkáňové inženýrství. Cílem práce je laboratorní příprava polymerních směsí na bázi poly(3-hydroxybutyrátu), polymléčné kyseliny a polykaprolaktonu a jejich zpracování do podoby 3D tiskových strun. Byly připraveny tři polymerní směsi, které byly zpracovány do podoby 3D tiskových strun. Pro vyhodnocení termických vlastností byla provedena diferenciální skenovací kalorimetrie, následně teplotní věžový test a test „warpingu“ pro stanovení zpracovatelských podmínek při 3D tisku. Nejnižší naměřený „warping“ koeficient byl 1,26 u směsi poly(3-hydroxybutyrátu) s polykaprolaktonem a změkčovadlem. Ke studiu mechanických vlastností materiálů byla použita tahová zkouška, tříbodová ohybová zkouška a tlaková zkouška. Skafoldy s různými povrchy pro kostní tkáňové inženýrství byly 3D tisknuty z připravených strun s cílem určit nejoptimálnější povrch pro proliferaci buněk. Pro stanovení povrchových vlastností a jejich vlivu na adhezi buněk bylo provedeno měření optického kontaktního úhlu s využitím metody OWRK pro výpočet povrchové energie. 3D vytištěné povrchy byly také podrobeny analýze drsnosti pomocí konfokálního mikroskopu, aby byla určena jejich drsnost a její vliv na kontaktní úhel s vodou a růst buněk. Nakonec v poslední části byly ve spolupráci s Ústavem experimentální medicíny AV ČR provedeny in vitro testy na skafoldech s cílem zjistit, zda jsou připravené materiály necytotoxické, a jak povrch skafoldu ovlivňuje růst a proliferaci buněk. Bylo zjištěno, že dva ze tří materiálů nejsou cytotoxické (obě směsi poly(3-hydroxybutyrátu) s polykaprolaktonem) a že jejich mechanické vlastnosti jsou srovnatelné s lidskou trabekulární kostí. Nejoptimálnějším povrchem pro růst buněk je pravděpodobně mřížka o průměru 50 m s drsností podél perimetru 1,9 m, což odpovídá kontaktnímu úhlu s vodou 74,1°