Schválené projekty 2010

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2010

Přidělená částka z MŠMT na VŠB-TUO - 25 868 000,-Kč

fakultačástka v tis. Kč
FBI 622
EKF 2 146
FAST 1 139
FS 4 030
FEI 4 339
HGF 6 187
FMMI 7 405
CELKEM 25 868
KódSP/2010140
Název projektuPočítačový design nanomateriálů
ŘešitelTokarský Jonáš doc. Ing., Ph.D.
Školitel projektuprof. RNDr. Pavla Čapková, DrSc.<br />
Období řešení projektu01.01.2010 - 31.12.2010
Předmět výzkumuPředmětem výzkumu v tomto projektu je využití molekulárního modelování pro design funkčních nanostruktur využitelných ve dvou hlavních oblastech: (1) vývoj fotokatalytických a antibakteriálních nanokompozitů, (2) vývoj nových lékových forem s polymerními nosiči účinné látky. Výpočty, zaměřené na predikci struktury a vlastností těchto materiálů, budou prováděny v těsné součinnosti s vyvíjenou technologií, s cílem optimalizovat technologické postupy a dopředu vyloučit neúspěšné pokusy. Modelování bude prováděno v modelovacím prostředí Materials Studio. Součástí výzkumu v tomto projektu bude rovněž tvorba modelovacích strategií, „šitých na míru“ jednotlivým typům zkoumaných nanomateriálů, a vývoj vlastních softwarových nástrojů, doplňujících toto modelovací prostředí. Nanostruktury pro fotokatalytické a antibakteriální využití jsou založeny na ukotvení nanočástic kovů a jejich oxidů na vhodné krystalické matrici. Tato technologie musí řešit zásadní problém, a to: Jaký typ krystalické matrice bude nejvhodnější pro daný typ nanočástice z hlediska kompatibility struktur a adheze nanočástic k matrici? Obdobnou problematiku řeší i technologie přípravy lékových forem při hledání vhodného polymerního nosiče dané účinné látky. V tomto případě je nutné studovat interakce vybraných biodegradovatelných polymerních řetězců s molekulou léčiva. Molekulární mechanika a klasická molekulární dynamika v modelovacím prostředí Materials Studio využívá empirických silových polí k popisu energie systému a umožňuje tak optimalizovat struktury „velkých“ molekulových systémů se stovkami i několika tisíci atomy a přiblížit se tak reálným strukturám. Vyřešení struktury a pochopení vztahů mezi strukturou a vlastnostmi je cestou k syntéze nanostruktur s požadovanými, předem danými vlastnostmi. V materiálovém výzkumu se ve většině případů zabýváme strukturami bez dokonalé 3D periodicity, která je nutná pro řešení struktur difrakčními metodami. Molekulové modelování je tak jediným účinným nástrojem řešení struktur systémů, které jsou příliš neuspořádané pro difrakční techniky a příliš velké pro kvantově chemické výpočty.
Členové řešitelského týmuprof. RNDr. Pavla Čapková, DrSc.
Ing. Miroslava Macháčková
doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Modelování bude sledovat dva hlavní cíle: (1) Vývoj fotokatalytických a antibakteriálních nanokompozitů (nanočástice oxid kovu – krystalická matrice). Fotokatalytická aktivita nanokompozitů je zaměřena na rozklad organických nečistot a oxidů dusíku pro samočisticí stavební a nátěrové hmoty, resp. filtry. Cílem je optimalizace struktury a stanovení adhezní energie, včetně výběru vhodné matrice pro daný oxid. (2) Vývoj nových lékových forem s polymerním nosičem léčiva. Cílem je stanovení struktury a vlastností nanočástice polymerního nosiče s molekulou léčiva, včetně výběru vhodného typu polymeru pro dané léčivo a včetně stanovení adhezní energie léčivo-nosič.
Bude vyřešena struktura a stanovena adhezní energie pro nanokompozit TiO2-matrice. Jako matrice budou testovány vrstevnaté silikáty a SiO2. Na základě adhezní energie bude vypracováno doporučení pro technologii přípravy a bude proveden odhad stability nanokompozitu. Stabilita nanokompozitu je významným faktorem z hlediska vyloučení environmentálních rizik uvolněných nanočástic.
Na základě výpočtu adhezní energie léčivo-nosič bude vytypován vhodný biodegradovatelný polymer jako nosič pro molekulu cyklosporinu (imunosupresivum). Bude vypracováno doporučení pro technologii z hlediska vhodnosti jednotlivých typů polymerů.
Postup řešení: Popis energie empirickými silovými poli je aproximace umožňující řešit struktury a vlastnosti velkých neuspořádaných systémů „v rozumném“ čase a s „rozumnou“ přesností. Klade velké nároky na strategii modelování, která musí být založena na dostupných experimentálních datech. Modelování nanostruktur předpokládá vypracování strategie „ušité na míru“ pro daný typ problému. Obecné rysy této strategie jsou následující:(1) generování iniciálních modelů (využití strukturních databází, difrakčních a spektroskopických dat), (2) parametrizace iniciálních modelů (volba a testování silových polí), (3) volba optimalizačních postupů, (4) konfrontace výsledků s dostupnými experimentálními údaji.
Strategie modelování nanokompozitů bude rozšířena o stavbu modelů s různou krystalografickou orientací adherujících povrchů nanočástice a matrice. V první etapě (2010) bude věnována pozornost nanokompozitu s nanočásticemi TiO2 ukotvenými na vrstevnatých silikátech a SiO2. Matrice budou hodnoceny z hlediska kompatibility struktur matrice a nanočástice. Budou studovány krystalografické roviny TiO2, přednostně adherující k matrici, vzájemná orientace krystalových ploch na fázovém rozhraní nanočástice-matrice, optimální velikost monokrystalických nanočástic na jednotlivých matricích. Na základě výpočtů budou vypracována doporučení pro technologii přípravy nanokompozitů.
Pro modelování lékových forem budou zkoumány interakce polymer-léčivo a stanovena interakční energie. Ta bude podkladem pro hodnocení vhodnosti polymeru jako nosiče. Dále bude užitím molekulární dynamiky a srovnáním gyračních poloměrů studována flexibilita polymerů. V další fázi budeme pracovat pouze s vhodnými kandidáty na polymerní nosiče. Bude vytvořen model nanočástice polymerního nosiče a léčiva. Pomocí molekulární dynamiky bude sledována stabilita této nanočástice a proces uvolňování léčiva ve vodném prostředí. Třetí etapa objasní chování polymerních nanočástic s léčivem při různém pH, simulujícím chování v organismu. Simulace budou prováděny atakováním nanočástic protony a molekulami lipidů.
V první etapě (2010) budeme pracovat s molekulou cyklosporinu a kandidáty na vhodný biodegradovatelný polymerní nosič (polyetylenglykol a jeho deriváty, chitosan, celuloza atd.). S vybranými polymery budou provedeny zmíněné kroky. V dalších letech počítáme se zdokonalováním strategie modelování a její aplikací na další typy farmakologicky aktivních molekul.

Rozpočet projektu - uznané náklady

NávrhSkutečnost
1. Osobní náklady
Z toho
0,-0,-
1.1. Mzdy (včetně pohyblivých složek)0,-0,-
1.2. Odvody pojistného na veřejné zdravotně pojištění a pojistného na sociální zabezpečení a příspěvku na státní politiku zaměstnanosti0,-0,-
2. Stipendia60000,-73600,-
3. Materiálové náklady6000,-17637,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek25000,-11236,-
5. Služby15000,-45107,-
6. Cestovní náhrady56000,-14420,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory18000,-18000,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady180000,-
Uznané náklady180000,-
Celkem běžné finanční prostředky180000,-180000,-