o výzkumném programu C1
Vedoucí výzkumu: prof. Ing. Miloš Marek, DrSc.
Jedním z predpokladu úcinné prevence a lécby ruzných onemocnení, metabolických poruch nebo genetických predispozic je jejich vcasná diagnostika. Tu mohou zajistit medicínské analýzy, a to bud pravidelné, nebo v akutních prípadech okamžite provedené. Tyto analýzy ale bohužel není možné pravidelne ani dostatecne rychle provádet, nebot kvuli drtivé vetšine z nich musí clovek nejprve k lékari a teprve ten poté mnohé z odebraných vzorku rozesílá do vzdálených laboratorí. My se proto snažíme tuto situaci zmenit v rámci výzkumu programu CENTEM 1. Hlavní téma našeho výzkumu jsou laboratore na cipu pro lékarskou diagnostiku. Pod pojmem laboratore na cipu je možné si predstavit desticku o velikosti nekolika málo centimetru, která dokáže prijmout, zpracovat a poprípade i analyzovat prijaté informace (napr. platební karta zacházející s elektronickými daty). V medicíne jsou nosicem techto informací telní tekutiny. Laborator na cipu by je mela soustredit v nepatrných mikrokanálcích a v každém vzorku pak hledat koncentrace ruzných biomolekul a analyzovat nálezy. Medicínské „lab-on-a-chip“ (LoC) by tak v budoucnu mohly nahradit laboranty, kterí treba odebranou krev rozdelí do nekolika vzorku a testují ji z nekolika hledisek. Výsledky pozorování zapíší a predají napríklad imunologum. Ti pak výsledek, na který se ceká nekolik minut, ale v nekterém prípade i nekolik dnu, zanalyzují. LoC by jej mohla v ideálním prípade ukázat na vlastním displeji behem nekolika sekund nebo by sloužila jako nosic informace a výsledky by precetl prístroj, do nehož se vloží. Vyloucen v budoucnu není ani bežný prodej v lékárnách. Prínosem by melo být zrychlení medicínských analýz, jejich zlevnení a zvýšení dostupnosti. Mnohé i relativne sofistikované testy by si tak lidé mohli delat prímo doma, a soucasne by se mohl zvýšit pocet analytických stanovení treba až o miliony ci miliardy procent. Takové možnosti by podle odborníku vnesly do medicínské diagnostiky (ale i výzkumu) stejnou revoluci jako mikrocipy do výpocetní techniky. Lékari by na základe poznatku mohli stanovovat možnost nákazy nebo onemocnení mnohem dríve, než bude moci vubec vypuknout.
Zatím se nicméne výzkumy nachází spíše ve fázi „chip-on-a-lab“ a v laboratorích se teprve vyvíjí principy samotných cipu. Pokusné vzorky jsou totiž vetšinou velmi drahé a obklopené radou pomocných prístroju. Ackoliv chemici, genetici a imunologové sice znají mnoho postupu, které zajištují dostatecnou citlivost a selektivitu potrebných analýz a dovedou si i predstavit základní principy fungování potrebných zarízení, problém tkví v momentu, kdy je treba zarízení vtesnat do velmi malých rozmeru v rádech mikro- ci dokonce nanometru. Parametry zde odpovídající zhruba setine tlouštky lidského vlasu. V techto parametrech je nutné vyvinout napríklad miniaturní cerpadla, která budou pumpovat do zkoumaných tekutin ruzné chemikálie a pripravovat v mikrokanálcích vzorky pro testování. Dále bude nutné zdokonalit metody vytvárení napríklad elektrochemických a optických cidel velmi malých rozmeru. Jedním z klícových problému v souvislosti s mikrorozmery, jež je potreba vyrešit, je kupríkladu zpusob uzavírání kanálku, když se do nich dostane zkoumaná tekutina. V prípade bežné zkumavky by na ni prístroj nasadil vícko, nicméne v mikrosvete se tyto principy teprve hledají, stejne tak jako v prípade skládání sendvicových struktur. Výzkum LoC ve svete ani v CR není nijak ojedinelá záležitost, unikátnost našeho výzkumu se projeví až ve specializaci, jíž je již zmínené zkoumání látek ve forme vodných roztoku, ale zejména zamerení na materiálový základ cipu. Jako hlavní médium cipu jsme si zvolili bežné polymery – plasty, jež predstavují relativne výjimecnou kombinaci. Jako materiál bývá využíván casto sklo, keramika a kremík, které mají sice mnoho výhod, ale soucasne jsou krehké a drahé, pricemž cenová dostupnost produktu je velmi duležitým kritériem a v soucasné dobe se hledají ty nejvhodnejší. Laboratore na cipu analyzující látkové složení samozrejme nemusejí sloužit jen medicíne at už humánní nebo veterinární. Výsledky výzkumu mohou být prínosné i pro kontrolu potravin nebo kvality vody, pudy ci ovzduší.
—–
Další úkol, jemuž se v rámci výzkumu C1 venujeme, souvisí s vývojem nových léku, jež jsou casto potencionálne velmi úcinné, ale po podání ústy je lidské telo spotrebuje jen z jednotek, ci dokonce z desetin procent. Zbylé lécivo je bud metabolizováno, nebo ho telo vypustí bez užitku do prírody, což je nejen neekonomické, ale muže to mít i vliv na životní prostredí. Tímto problémem se zabýváme v rámci výzkumu mikrostruktury lékových forem. Zabýváme se analýzou mikrostruktury produktu typu granulí nebo tablet, tedy takzvaných tuhých produktových forem, které se vyskytují mimo jiné práve v lécivech. Tablety se skládají z velkého množství složek – v první rade z aktivní látky, tedy léciva, dále pojiva, které drží tabletu pohromade, a ruzných aditiv (ochucovadla, barviva, látky podporující úcinek léku ci ovlivnující jeho rozpuštení). Dle nových výzkumu úcinnost léku závisí na nejen na správném množstevním namíchání složek, ale z velké cásti i na jejich prostorovém usporádání, tj. na mikromerítku. Mikromerítko muže v nekterých prípadech zrychlit ci zpomalit rozpouštení tablety až o 50%, pricemž správná rychlost rozpouštení ovlivnuje úcinnost.
Naším úkolem je hledat základní principy rozpuštení léku a úcinnost léku v závislosti na mikrostrukture komponent. Zkoumání probíhá nejen empiricky, ale i na základe matematických modelu podporených experimenty, což preferujeme. Cílem je vytvorení budto simulacního softwaru, nebo urcitých vzorcu, které budou k dispozici výrobcum pri návrhu nových lékových forem. Výzkum vztahu mezi mikrostrukturou a rychlostí rozpouštení je nejen v CR, ale i ve svete dosud relativne ojedinelý. Jeho prínos je nicméne rozsáhlý, nebot se netýká jen medicínských aplikací, ale také spotrební chemie (výroba pracích ci cistících prostredku), zemedelství (výroba granulových hnojiv, krmiv) ci potravinárství (produkce instancních doplnku živocišné i lidské stravy). Prínosem bude zvýšení efektivity jednotlivých výrobku v rádech až desítek procent, z cehož vyplývá nejen menší materiálová nárocnost výroby, ale i menší podíl odpadních látek. Obojí je prínosem pro ochranu životního prostredí a soucasne by tak mela být pozitivne ovlivnena i cena. Výsledky našeho výzkumu by ale mely prinést i možnost vyrábet nové typy léku, které prozatím není možné vyrobit, protože neexistuje vhodná struktura, která by držela jednotlivé složky pohromade a správne uvolnovala behem trávení. Rozšírily by se tak možnosti farmacie.
—–
V rámci výzkumu a modifikace morfologie a povrchové struktury materiálu se zabýváme nanotechnologiemi, tj. technologiemi na úrovni nanometru. Naším cílem je prispet k rychlému a levnému ukládání elektriny, které by jen v CR prineslo rocne úspory desítek miliard korun a výrazne by pomohlo životnímu prostredí, nebot stále nebyl nalezen efektivní zpusob, jak elektrinu ukládat. Výzkum v oblasti energií je zameren dvema smery – ukládáním energie do mobilních zdroju (napr. baterie do notebooku ci elektromobilu) a ukládáním velkého množství tzv. silové energie, tj. energie, jíž je v reálném case vyroben nadbytek, pricemž požadavky na finální produkt jsou odlišné. U mobilních baterií se jedná napríklad o zvýšení bezpecnosti, soustredení co nejvetšího množství energie do co nejmenší a nejlehcí baterie, výdrž baterie co nejvetšího poctu nabíjecích cyklu ci co nejvetší rychlost dobití baterie, práve kterou lze ovlivnit prostrednictvím nanotechnologií. Prekážkou, jíž je potreba prekonat, zustává cena výroby nanocástic, resp. jejich prumyslová výroba.
Výsledky našeho výzkumu mohou být využity v rozsáhlém spektru oboru a mohou výrazne zmenit nakládání s energetickými zdroji, nebot v souladu s výrazným zjednodušením užívání kupríkladu elektromobilu by tak mohla být zvýšena jejich uživatelská oblíbenost na úkor automobilu se spalovacími motory. Výkonnejší, bezpecnejší, lehcí a rychleji se dobíjející zdroje ocení i výrobci veškerých prístroju na baterie (napr. výrobci telefonu, aku-náradí, fotoaparátu). Velkokapacitní úložište schopná zadržet rádove desítky megawatthodin silové elektriny pak ocení hlavne energetické firmy, prumysloví giganti, ale také vlády zemí i menších regionu. Protože elektrina jde velmi težko skladovat, musí se vždy vyrobit jen takové množství, které se momentálne spotrebovává. Zajištení této rovnováhy nutí k obrovským investicím. Musí být totiž dostatek zdroju, které pokryjí odberovou špicku, ale mimo ni naopak nevyrábí. Zároven se budují nákladná vedení, která v jednu chvíli prepravují elektrinu stovky kilometru pryc a za nekolik hodin ji zas privádí zpet. Podobná zarízení by umožnila i rychlejší rozvoj výroby elektriny z obnovitelných zdroju, jako jsou vetrné ci solární elektrárny. Ty jsou totiž kvuli nestálosti slunecního svitu a vetru v dodávkách elektriny nespolehlivé a musí k nim existovat záložní zdroje. Kdyby každá vetrná elektrárna mela své zásobníky, které by se plnily v prípade vetru a vyprazdnovaly pri bezvetrí, nemuselo by jich být tolik.
Výzkum nanotechnologií v CENTEM je však zameren nejen na energetiku, vývoj je zameren napríklad i na nanopenové polymery s mimorádnými zvukove- ci tepelne-izolacními vlastnostmi nebo i mechanickými vlastnostmi, nebot modifikací struktury lze zlepšovat i pohlcování mechanické energie pri nárazu a to kupríkladu jak v polymerech používaných v náraznících automobilu, tak treba v cyklistických helmách.