Nápady a objevy

1. prosince 2022

Výzkumníci objevují skryté možnosti průmyslu a udávají nový směr biologie. Ve zbrusu nové CT laboratoři

Autor: Jan Prokopius

Zjistit prvkové složení meteoritů, neinvazivně se podívat do „střev“ průmyslových výrobků nebo prozkoumat biologické vzorky – třeba lidské kosti z archeologických nálezů. To vše a daleko víc dělají výzkumníci ve skupině Pokročilé instrumentace a metody pro charakterizace materiálů na CEITEC VUT. Tým, který vede profesor Jozef Kaiser, se za dobu svého působení stal celosvětovou uznávanou skupinou odborníků na zobrazovací metody. Pomocí 18tunového počítačového tomografu skenují různě velké vzorky ve 3D a podílejí se na průmyslovém vývoji. Taky se jim podařilo založit dvě rozrůstající se spin-off firmy. Na otázky týkající se CT expertízy odpovídá profesor Jozef Kaiser. S biologickými úspěchy se svěřuje doktorka Markéta Tesařová.

Letos jste otevřeli v CEITEC novou průmyslovou CT laboratoř, co tomu předcházelo?

K zodpovězení otázky musím zabrousit trochu víc do historie. Naše výzkumná skupina se vydala dvěma směry. Ještě před vznikem CEITEC jsme se zabývali spektrometrií laserem indukovaného mikroplazmatu neboli metodou na zjištění prvkového složení materiálu. Pak jsme se dostali k nedestruktivním zobrazovacím metodám čili počítačové tomografii (CT) a navázali jsme spolupráci se Synchrotronem Elettra v italském Terstu, který je díky této spolupráci od začátku projektovým partnerem CEITEC. Když později CEITEC vznikal, rozhodli jsme se, že v rámci něho vybudujeme komplementární laboratoř s přesahem do průmyslu. Cíleně jsme vybírali přístroje, které jsme mohli nasadit na průmyslovou spolupráci, i když CEITEC byl tehdy ještě v plenkách jakožto projekt základního výzkumu. My jsme totiž vycítili jeho růstový potenciál, a tak jsme pořídili přístroj, který byl umístěn na Fakultu strojního inženýrství VUT, protože budovy výzkumného centra, ve kterých teď jsme, tu tehdy nestály. Na začátku tohoto roku jsme museli kvůli rekonstrukci fakulty 18tunový přístroj po osmi letech stěhovat na CEITEC a v květnu jsme CT laboratoř slavnostně otevřeli.

To muselo být náročné stěhování.

To ano, už tehdy bylo náročné tak těžký přístroj dostat do fakulty. Museli jsme posílit podlahu a stěhovat přístroj jeřábem. Instalace CT byla první velká investice začínajícího CEITEC. Při letošním stěhování jsme nejprve museli rozebrat půlku budovy, plášť a k přesunu znovu využít jeřáb. Díky tomu ale máme vše pod jednou střechou a nemusíme přejíždět. V současné době tady máme tři různě velké CT přístroje, kterými pokryjeme širokou škálu vzorků, vědeckých i průmyslových. Ten 18tunový tehdy za 18 milionů korun je největší. V dnešní době by po našich úpravách stál téměř dvojnásobně víc.

Finanční prostředky jste na tak velkou investici měli, nebo jste si museli půjčovat?

Díky tomu, že máme průmyslovou spolupráci, tak měli. Teď si nevybavím, kolik nás to vyšlo, ani řádově, ale rozhodně to nebylo levné.

Co všechno v CT laboratoři zkoumáte?

Máme základní a aplikovaný výzkum ve spolupráci s průmyslem. V rámci základního se zabýváme mj. tzv. reverzním inženýrstvím, kdy profesionální programy na zobrazení a analýzu dat, které jsou primárně určené pro strojní inženýrství, využíváme v biologii. A jsme velmi úspěšní. K tomu může víc říct hlavní řešitelka projektu Markéta Tesařová.

Biologické projekty se začaly realizovat mezi lety 2014–2015, kdy nás oslovila skupina biologů ze Švédska, že by chtěla dělat 3D zobrazování biologických vzorků. Jenže do té doby se laboratoř zabývala jen průmyslem a biologické objekty nebylo tak jednoduché zobrazit. Složité bylo i zpracování dat. Já jakožto studentka bakalářského programu jsem chtěla zkusit, jestli to vůbec půjde. Manuálně jsem vytvářela 3D modely, což spočívalo v tom, že jsem asi na 2000 slidech obtahovala struktury zájmu. Takže taková studentská mravenčí práce, která se ovšem vyplatila. Pro biology to bylo něco, co do té doby neviděli.

Můžete uvést příklad?

Měli jsme třeba myší embrya. Klasicky se zobrazují pomocí jiných metod – fokální mikroskopie, optická tomografie, jenže jejich limit spočívá v tom, že velikost vzorku musí být malá. Kdežto my zvládneme zobrazit i metr velké vzorky. U myšího embrya jsme dokázali zachytit, a hlavně zobrazit růst, a pokrýt tak všechna vývojová stádia. Od embrya jsme přešli k chrupavce, orgánům, pak se zájem přesunul k dalším organismům. Teď jsme třeba zkoumali regenerační schopnosti mloků. Spolupracujícím biologům pak dodáváme data, která by nikde jinde nezískali. Bez nadsázky jsme tak začali budovat nový směr biologie.

K čemu data využívají? Proč jsou pro ně důležitá?

Biologové, se kterými spolupracujeme, dělají převážně základní výzkum. Například je zajímalo, proč vznikají různá genetická vývojová onemocnění. Samozřejmě se pokusy nedělají na lidech, modelovým organismem jsou myši. Chtěli třeba znát, jak roste myší chrupavčitá lebka. Díky naší 3D zobrazovací metodě a získaným datům zjistili, že během vývojových stádií se tvar lebky nemění, co změně podléhá, je pouze velikost. A díky tomuto zjištění dokážou biologický proces vysvětlit. Zjednodušeně řečeno díky datům dokážou pochopit a popsat do té doby nevysvětlitelné biologické mechanismy.

Autor: Jan Prokopius

To zní jako zásadní objev.

My jsme nevěděli, jak moc zásadní to je, než jsme naše poznatky o myších embryích sepsali a poslali k publikaci. Článek vždy prochází recenzním řízením, při kterém dávají recenzenti zpětnou vazbu. Jenže oni nám ten článek vyhodili s tím, že nevěří, že můžeme pomocí CT zobrazovat chrupavku. Tehdy jsme si uvědomili, že to je v biologii opravdu revoluční objev. To se stalo v roce 2017, za tu dobu jsme si celkem vybudovali jméno, naše zobrazovací metoda se stala prestižní a oslovují nás ke spolupráci i jiné výzkumné skupiny.

Ta biologie mě opravdu těší. Během jednoho roku jsme měli dva články v Nature Communications. Takže úsilí, které jsme do toho vložili, se vrací v podobě vysoce impaktovaných článků. Cesta ovšem nebyla snadná. Pohled biologů a techniků je úplně jiný a trvalo, než jsme se sžili.

Jaký další výzkum v souvislosti s biologií plánujete?

Teď mám podanou žádost o grant prestižní Marie Skłodowska-Curie Actions (MSCA) ve spolupráci s institucí ve Slovinsku. Chceme se inspirovat biologií a aplikovat biologické struktury do stavebního průmyslu. Například chceme zjistit, jaké by mohly mít na tomto principu vybudované fasády vliv na klimatický efekt.

Vraťme se teď ke spolupráci s průmyslem. V čem spočívá?

Tu budujeme od začátku a snažíme se o CT expertízu, nikoli jen CT analýzu. Jsme aplikační laboratoří Rigaku (Japonsko) a Thermo Fisher Scientific (USA) a testovací laboratoří Waygate Technologies (dřív GE Inspection Technologies, Německo). S Thermo Fisherem teď řešíme mj. korelativní mikroskopii a z toho mám taky radost, protože s nimi podáváme už druhý grant. Takže se zapisujeme do celosvětového dění i v rámci průmyslové spolupráce. Vedle toho řešíme průmyslové zakázky např. od polymerů vyztužených vlákny přes rozměrné plastové díly, kde třeba zkoumáme možné defekty. Příjem těchto zadání aplikovaného výzkumu nám pomáhá udržovat zařízení na špičkové úrovni.

Dá se říct, že pracujete s nejlepšími přístroji v republice?

V určitých aspektech určitě. V rámci spolupráce s Rigaku se dostáváme k testování těch nejnovějších softwarových, ale taky hardwarových možností, které přístroj poskytuje. Máme tady dvouenergiový zdroj od Rigaku, který byl jako první v Evropě použitý u nás. Od GE jsme zas testovali jejich flat panel detektory. Přes tyto spolupráce se pak dostaneme i k těm nejnovějším softwarovým modulům a můžeme je testovat. Taky vytváříme vlastní moduly, třeba pro Rigaku vymýšlíme softwarová vylepšení.

Můžete víc přiblížit, v čem konkrétně pomáhá CT laboratoř v průmyslu?

JK: Bohužel máme smlouvu o mlčenlivosti. Takže konkrétní příklad říct nemůžu.

MT: Já to popíšu v obecné rovině, jak to vysvětluji babičce (smích). Firma vyrábí drahé součástky třeba do auta a najednou na kontrolním stanovišti zjistí, že má problém, a pochopitelně drahou součástku nechtějí rozřezat. Tak nám ji sem pošlou, my ji naskenujeme a uděláme 3D model. Můžeme se neinvazivně a nedestruktivně podívat dovnitř a změřit třeba rozměry, jestli je tam dobře vyvrtaná díra, jestli tam není prasklina a obecně nějaký defekt. Během dvou hodin dokážeme říct firmě důvod problému. Takže jim šetříme peníze a čas.

JK: Kromě hledání vad taky spolupracujeme s firmami na vývoji nových výrobků.

Jaké jsou Vaše vize s CT laboratoří? Čím byste se chtěli víc zabývat?

Teď máme před sebou velký projekt, protože kolegové z Waygate vyvinuli v Cincinnati obrovské CT, které využívá jako zdroj lineární urychlovač (v lékařství se používá k léčbě rakoviny). V Cincinnati je několik významných firem na výrobu letadlových motorů a jejich součástek, jež využívají ve větší míře aditivní technologie (3D tisk). Výsledkem jsou velké kovové díly, které kontrolují. A jedinou možnou kontrolou je CT s vysokoenergetickým zdrojem, který umí prosvítit velké, těžké díly. Tento systém bychom rádi dostali do České republiky nebo Evropy, ČR už je pro to asi malá. Kromě toho pokračujeme v tom, co jsme dělali doteď. Snažíme se taky na určité úrovni propojit počítačovou tomografii s laserovou spektroskopií, abychom měli přidanou hodnotu a uměli kalibrovat vzorky a říct prvkové složení.

Kdo třeba potřebuje znát prvkové složení?

Třeba geologové. Pomocí přístroje dokážeme poměrně rychle vyčíslit, kolik je tam procent uranu nebo zlata. Dokonce jsme tady zkoumali i vesmírné vzorky, měli jsme tu několik meteoritů. Konkrétně i ten, který spadl v roce 2015 u Žďáru nad Sázavou. Když jsme u toho vesmíru, musím zmínit, že se teď čím dál víc otevíráme i vesmírným projektům.

Jak vzniká spolupráce na projektech? Čtete něco v novinách a říkáte si, na tohle by se naše metody daly aplikovat, zkusím je kontaktovat, nebo naopak máte už takové renomé, že firmy vyhledávají Vás?

Spíš teď už oni kontaktují nás. Máme několik projektů v ESA a NASA, takže na určité úrovni jsme viditelní. Ale Elon Musk nám zatím ještě nevolá (smích).

Z výzkumu Vaší skupiny vznikly i dvě spin-off firmy – CactuX a Lightigo. Můžete k nim říct víc?

Lightigo se zabývá technologií LIBS, takže produkuje a prodává do celého světa zařízení pro laserovou spektroskopii, která jsou určená primárně pro výzkumné instituce. A CactuX vznikl na technologii, kterou jsme chtěli původně od Waygatu. Byl to poměrně jednoduchý, bezdrátově ovládaný xy posuv do našich setupů. Nakonec jsme to udělali sami a prodáváme technologii mj. přes Waygate. Kromě toho teď CactuX dělá i kalibrační fantomy a další věci.

Proč zakládat spin-off firmy?

Jednou z výhod spin-off firem podle mě je, že umíme udržet vysoce kvalifikované lidi, kteří až tak moc akademickou kariéru nechtějí. Naopak se chtějí zrealizovat v businessu. Většina vedoucích pozic v těchto startupech je obsazena lidmi, kteří vyšli z naší výzkumné skupiny.

Jak je náročné vyčlenit komerční činnost z akademického prostředí?

Není to jednoduchý proces. Na akademii se zabýváme výzkumem, vývojem, děláním nových věcí, ale už to nedotahujeme do výrobků. Snažíme se zůstat u termínů jako myšlenka, realizace, prototyp. A jakmile to překračuje prototyp, už to musí dělat spin-off firma. Jako univerzita nechceme a ani nemůžeme prodávat výrobky. Spin-off firma udělá průzkum celosvětového trhu, z prototypu vytvoří produkt, otestuje ho a udělá certifikaci.

Jak ve spin-off firmě figurujete Vy, jako zakladatelé, a CEITEC?

Na začátku tam jsme v roli mentora a počátečního investora. Pak se z toho stěhujeme a už nezasahujeme do operativy. Řešíme třeba strategické věci a vize, kam se posunout. CEITEC licencoval několik výrobků, takže z těchto firem má pochopitelně profit. Navíc s nimi pak nadále spolupracuje, takže i z tohoto pohledu je to profitabilní.


Autor: Mgr. Kristýna Filová

Témata

Související články:
Inspiraci hledáme v přírodě, říká uznávaný vědec Josef Jančář
Poškozenou chrupavku nahradí implantát z 3D tiskárny, tvrdí Vojtová
Unikátní robotický skener otevírá nové možnosti využití termovize v medicíně. Uplatnění ale najde i v dalších odvětvích
Výzkum nadějného polského vědce dokazuje, že světlo je cesta. Pomáhat má v neurostimulaci
CEITEC VUT otevřel laboratoř s přesahem do průmyslu