Schválené projekty 2011

Rozdělení přidělené dotace z MŠMT na specifický vysokoškolský výzkum po fakultách se zohledněním celoškolských pracovišť na rok 2011

Přidělená částka z MŠMT na VŠB-TUO - 30 645 000,-Kč

2.5% ( 766 125,-Kč) - úhrada způsobilých nákladů spojených s organizací SGS

fakultačástka v tis. Kč
FBI 879,000
EKF 3 701,000
FAST 1 331,000
FS 5 579,271
FEI 6 101,114
HGF 4 952,000
FMMI 7 335,490
CELKEM 29878,875
KódSP2011/16
Název projektuPočítačový design funkčních nanostruktur
ŘešitelTokarský Jonáš doc. Ing., Ph.D.
Školitel projektuprof. RNDr. Pavla Čapková, DrSc.<br />
Období řešení projektu01.01.2011 - 31.12.2011
Předmět výzkumuŘešení struktury fotokatalytických a antibakteriálních nanokompozitů, struktury nanokompozitů na bázi interkalovaných a povrchově modifikovaných vrstevnatých fylosilikátů a struktury nových lékových forem s polymerními nosiči užitím počítačového molekulárního modelování.

Tento projekt, navazující na projekt „Počítačový design nanomateriálů“, je zaměřen na využití molekulárního modelování pro design tří typů funkčních nanostruktur:
(1) Fotokatalytické a antibakteriální nanokompozity,
(2) Nanokompozity na bázi interkalovaných a povrchově modifikovaných vrstevnatých silikátů pro širokou škálu praktických aplikací od veterinárních léčiv přes senzory až po nanoplniva pro plasty a keramiku
(3) Nové lékové formy na bázi polymerních nosičů léčiv.
Stejně jako v předchozím projektu budou i nyní všechny výpočty prováděny v těsné součinnosti s vyvíjenou technologií, s cílem optimalizovat technologické postupy a dopředu vyloučit neúspěšné pokusy.
Modelování bude prováděno v modelovacím prostředí Accelrys Materials Studio. Pro specifické úlohy budou vytvářeny vlastní algoritmy a programy. V rámci předchozího projektu byly nalezeny vhodné modelovací strategie pro fotokatalytické a antibakteriální nanokompozity a pro nové lékové formy na bázi polymerních nosičů léčiv. Tyto strategie budou využity i v rámci tohoto projektu a dále bude vytvořena modelovací strategie pro nanokompozity na bázi vrstevnatých silikátů interkalovaných polymery. Tato technologie musí řešit následující otázky: (a) interkalují polymerní řetězce do mezivrství, nebo zůstávají pouze ukotvené na povrchu? (b) jaké je v případě interkalace prostorové uspořádání polymerních řetězců v mezivrství?,
V případě polymerních nosičů léčiv budou řešeny otázky stability těchto lékových forem a jejich chování ve vodném prostředí při různých teplotách. 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. Molekulární modelování tak zůstává jediným účinným nástrojem řešení struktur systémů příliš neuspořádaných pro difrakční techniky a příliš velkých pro kvantově chemické výpočty.
Členové řešitelského týmuprof. RNDr. Pavla Čapková, DrSc.
Ing. Dominik Hlaváč
Ing. Miroslava Macháčková
doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
doc. Ing. Jonáš Tokarský, Ph.D.
Specifikace výstupů projektu (cíl projektu)Modelování bude sledovat tři hlavní cíle:

(1) Vývoj fotokatalytických a antibakteriálních nanokompozitů (nanočástice oxid kovu – krystalická matrice). Cílem bude optimalizace struktury nanokompozitu (krystalografická orientace nanočástice vůči povrchu matrice, dále velikost nanočástice) a stanovení adhezní energie nanočástice-matrice.

(2) Vývoj nanokompozitů na bázi interkalovaných vrstevnatých fylosilikátů. Cílem bude optimalizace struktury nanokompozitu, dále stanovení prostorového uspořádání polymerních řetězců v mezivrství silikátu a jejich množství.

(3) Vývoj nových lékových forem s polymerním nosičem léčiva. V tomto projektu budeme pracovat pouze s vhodnými kandidáty na polymerní nosiče, které byly vybrány na základě výsldků projektu předchozího. Na vytvořených modelech nanočástic, obsahujících větší počet molekul léčiva a větší počet daných polymerních vláken, bude pomocí molekulární dynamiky sledována stabilita této nanočástice a proces uvolňování léčiva ve vodném prostředí.

Postup řešení: Využití empirických silových poli pro výpočet energie umožňuje řešit struktury a vlastnosti velkých neuspořádaných systémů v „rozumném“ čase a s „rozumnou“ přesností. Vzhledem k tomu, že tento přístup klade velké nároky na strategii modelování, musí být tato podpořena dostupnými experimentálními daty. Molekulární modelování tak jde ruku v ruce s experimentálními analýzami reálných vzorků. 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.

Součástí strategie modelování fotoaktivních a antibakteriálních nanokompozitů bude stavba modelů s různou krystalografickou orientací adherujících povrchů nanočástice a matrice. Pozornost bude věnována nanokompozitu s nanočásticemi ZnO ukotvenými na vrstevnatých silikátech a SiO2. Matrice budou hodnoceny z hlediska kompatibility struktur matrice a nanočástice. Budou studovány krystalografické roviny ZnO, přednostně adherující k matrici, dále vzájemná orientace krystalových ploch na fázovém rozhraní nanočástice-matrice a optimální velikost monokrystalických nanočástic na jednotlivých matricích. Součástí výsledků bude rovněž srovnání stability nanokompozitů TiO2-matrice (zkoumaných v předchozím projektu) a ZnO-matrice.

Modelování nanokompozitů na bázi interkalovaných fylosilikátů bude sloužit ke zkoumání prostorového uspořádání řetězců vodivých polyanilinů v mezivrství vrstevnatých silikátů. Mezi vrstvami silikátové matrice a řetězci polymerů budou zkoumány interakce a bude stanovena interakční energie. Pozornost bude věnována délce polymerních řetězců a jejich množství, stejně jako míře výměny původních mezivrstevných iontů za interkalované řetězce vodivého polyanilinu. Výše zmíněná strategie modelování bude rozšířena o simulaci difrakční analýzy a porovnávání simulovaných difraktogramů s difraktogramy reálných vzorků.

Modelování lékových forem, navazující na předchozí projekt, se bude v této etapě zabývat pouze těmi biodegradovatelnými polymery, které byly vybrány v předchozím projektu. Mezi těmito polymery a léčivem budou ve vodném prostředí zkoumány interakce a bude stanovena interakční energie. Na tomto základě bude vytipován nejvhodnější nosič, jehož chování spolu s molekulami léčiva bude sledováno ve vodném prostředí za různých teplot (pokojová teplota a teplota lidského těla). Kromě energetické charakterizace nanočástic polymer-léčivo bude rovněž provedena strukturní charakterizace. V další etapě (2012) počítáme se studiem interakce nanočástice polymer-léčivo s molekulami lipidů a s aplikací vyvinuté modelovací strategie na polymerní nosiče s dalšími 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. Stipendia105000,-105000,-
3. Materiálové náklady28000,-18036,-
4. Drobný hmotný a nehmotný majetek16741,-0,-
5. Služby70000,-68166,-
6. Cestovní náhrady30000,-58539,-
7. Doplňkové (režijní) náklady max. do výše 10% poskytnuté podpory27749,-27749,-
8. Konference pořádané VŠB-TUO k prezentaci výsledků studentského grantu (max. do výše 10% poskytnuté podpory)0,-0,-
9. Pořízení investic0,-0,-
Plánované náklady277490,-
Uznané náklady277490,-
Celkem běžné finanční prostředky277490,-277490,-