České vysoké učení technické v Praze. č Výuka chemie pro biomedicínské inženýrství ČVUT v Kladně

Transkript

1 České vysoké učení technické v Praze Fakulta biomedicínského inženýrství Závěrečná zpráva projektu: č. 652 Výuka chemie pro biomedicínské inženýrství ČVUT v Kladně Program/podprogram: 1. Program na podporu rozvoje struktury a) Modulární skladba studijních programů, podpora vybraných studijních programů Řešitelé: doc. MUDr. Antonín Jabor, CSc. Ing. Karel Roubík, Ph.D. 1

2 Přehled čerpání finanční dotace (v tis. Kč) souhrnná tabulka (Určeno pro projekty, které vyžadovaly formulář č.10) Kapitálové finanční prostředky Celkové náklady na řešení projektu Z toho dotace ze st. rozpočtu (ukazatel I) Celkem Z toho Dlouhodobý nehmotný majetek (SW, licence) - - Samostatné věci movité (stroje, zařízení) Běžné finanční prostředky Celkové náklady na řešení projektu Z toho dotace ze st. rozpočtu (ukazatel I) Celkem Mzdy Pohyblivé složky mzdy Odměny dle dohod o pracích konaných mimo pracovní poměr 6 6 Odvody na sociální a zdravotní pojištění Z toho Drobný majetek Materiální náklady Služby a náklady nevýrobní povahy 0 0 Cestovní náhrady 8 8 Stipendia 0 0 Celkem (běžné a kapitálové) finanční prostředky ze státního rozpočtu (ukazatel I) na řešení projektu

3 Popis řešení projektu: Řešení projektu probíhalo po celý kalendářní rok 2005 a jeho průběh lze rozdělit do následujících hlavních bodů: 1. V úvodu řešení byla provedena analýza potřeb výuky v jednotlivých předmětech pro které je chemie základem. Z předmětů FBMI se jedná zejména o Fyzikální chemii a Biochemii člověka, dále je nutné předat studentům chemické základy pro předměty Biomechanika, biomateriály a biokompatibilita, Buněčná a molekulární biologie, Sensory v lékařství, Speciální přístrojová technika v anesteziologii a resuscitační péči, Základy biologie, anatomie a fyziologie člověka 1 a 2. Osnovy předmětů jsou na www stránkách fakulty na adrese: Dále byl proveden průzkum požadavků na absolventy školy při jejich budoucím zaměstnání v různých specializovaných nechemických oborech biomedicíny, které znalosti z chemie vyžadují a využívají. Průzkum byl proveden na pracovištích biochemie (doc. Jabor, RNDr. Bořil), hematologie (Ing. Roubík), mikrobiologie a fyziologie (Mgr. Vymětalová), anesteziologie a resuscitace (Ing. Roubík, doc. Pachl). 2. Byl proveden průzkum existujících sylabů chemie na jiných vysokých školách s podobným studijním programem v ČR i v zahraničí. Požadavky z bodu 1. byly zapracovány do nových osnov předmětu chemie, a to jak teoretické požadavky, tak požadavky na laboratorní praxi, kterou by studenti měli získat při laboratorních cvičeních. 3. Bylo sestaveno portfolio základních praktických úloh a experimentů. Na základě tohoto portfolia byl vytvořen seznam potřebného materiálu, který byl z projektu pořízen v množství odpovídajícím výuce. Experimentálně byly odladěny praktické úlohy a byly vytvořeny jejich popisy a návody na samostatné laboratorní úlohy pro studenty. Mezi ně patří práce se základní laboratorní technikou a základními pomůckami (volumetrie, filtrace, vážení, příprava roztoků, měření ph roztoků a titrace) a vyhodnocení jednoduchých optických (spektrofotometrických) úloh. Aby byla výuka zajímavější, jsou jednotlivé laboratorní metody cvičeny na komplexních úlohách, jako např. Porovnávání a stanovování obsahu vitamínu C jednotlivých druzích ovoce (spektrofotometrická úloha), Analýza vaječného bílku apod. 4. Byl proveden návrh první části speciálních praktických úloh v oblasti instrumentální analýzy. Jako prototyp speciální praktické úlohy byla zvolena práce s atomovým absorpčním spektrofotometrem, a to nejen vzhledem k povaze instrumentace, spolehlivosti a robustnosti techniky, ale také vzhledem k možnostem použití v různých oblastech biomedicínských věd včetně environmentální analýzy. Byly připraveny konkrétní úlohy (Analýza stopových prvků v potravinách, Analýza těžkých prvků v odpadních vodách). Příprava zahrnuje tvorbu standardních operačních postupů a detailních návodů. Vzhledem k tomu, že přístroj na atomovou absorpční spektroskopii byl zakoupen koncem roku 2005, nebyl doposud uveden do provozu a nemohla proběhnout validace připravených laboratorních úloh. Zprovoznění přístroje vyžaduje stavební úpravy, které jsou závislé na typu přístroje (speciální výkonové rozvody elektrické energie, odsávání a odvod splodin, přívody plynů, úprava skladu chemikálií pro umístění tlakových láhví, průchody potrubí apod.) a odbornou instalaci a zaškolení obsluhy dodávající firmou. Stavební úpravy již byly provedeny a přístroje jsou nainstalovány, ale odborné zaškolení a hlavně validace metodik je plánována a dohodnuta s dodávající firmou AMEDIS na přelom ledna a února roku Dále byly připraveny podmínky pro projektovou činnost studentů s tímto přístrojem v rámci jejich zejména bakalářských a diplomových pracích. Za tímto účelem byla navázána spolupráce s kolegy z různých institucí tak, aby zadané projekty měly vysokou pedagogickou hodnotu pro studenty. Mezi tyto instituce patří ARO 3. LF UK (konkrétně oblast analýzy tekutin po BAL), PF UK (konkrétně analýza důlních vod, analýza živného substrátu sirných bakterií, 3

4 analýza těžkých kovů v plodnicích hub). Tento způsob zapojení studentů do interdisciplinárních projektů považujeme za pedagogicky velmi vhodný a budeme tyto externí projekty pro studenty aktivně vyhledávat. Dále byly již zadány dvě diplomové práce založené na vyžití přesného RLC metru (Vlastnosti argentchloridové vrstvy elektrod pro biopotenciály a její optimální tvorba, Přenosové vlastnosti EKG elektrod v závislosti na složení EKG gelu). Tyto diplomové úlohy řeší na FBMI studentky 1. LF UK v Praze. Pokračování v zapojování pokročilých instrumentálních metod do výuky bude v souladu s projektem pokračovat i v roce 2006 v souladu s výhledovým plánem, který byl uveden v grantové přihlášce toho projektu na rok V souladu s projektem byl vytvořen učební text na základy chemie a fyzikální chemie pro biomedicínské inženýrství, který byl již distribuován studentům v elektronické podobě. Studenti jej používají k přípravě na zkoušku z předmětu Fyzikální chemie. Text bude v roce 2006 dopracován, doplněn a vydán tiskem. Současná verze je umístěna na adrese: 6. Na základě výsledků projektů byla v ZS zahájena výuka předmětu Fyzikální chemie a LS bude poprvé vyučována nová podoba předmětu Chemie. Následně bude zavedena nová výuka i v předmětu Biochemie, avšak až po dokončení dalších prací, jak bude uvedeno detailně níže. 7. Paralelně se všemi výše popsanými aktivitami probíhala práce na vytváření vhodného laboratorního zázemí pro výuku chemických předmětů (zatím chemie, fyzikální chemie a biochemie). Jednalo se o drobné úpravy stávajících prostor pro speciální přístroje (hrazené z rozpočtu fakulty, viz např. bod 4 atomová absorpční spektroskopie) a v souladu s projektem o vybavení laboratoře základními pomůckami, přístroji a spotřebním materiálem, většinou odvozeným od plánovaných výukových experimentů a laboratorních cvičení. Plnění kontrolovatelných výstupů: Z výše uvedeného popisu bodů 1 až 7 je zřejmé, že všechny kontrolovatelné výstupy, jak byly uvedeny v přihlášce projektu, byly splněny: 1) Analýza stavu výuky chemie, SWOT analýzy, průzkum a definice požadavků praxe na studenty. SPLŇENO. 2) Návrh výukové struktury. SPLŇENO. 3) Sestavení portfolia základních úloh a experimentů, odladění a vytvoření dokumentace a návodů. SPLŇENO. 4) Sestavení 1. části portfolia aplikovaných chemických úloh a vytvoření dokumentace a návodů. SPLŇENO. 5) Sestavení 1. části specializovaných instrumentálních úloh a vytvoření edukačních materiálů. SPLŇENO kromě odladění experimentů na AAS (viz bod 4 předchozího odstavce). 6) Zahájení výuky. SPLŇENO. 4

5 Pokračování na rozvoji předmětů po ukončení tohoto projektu: Jelikož byla tímto projektem kompletně vyřešena výuka základní chemie na FBMI a byl vytvořen i základ výuky speciálních instrumentálních technik, je pro udržení dosaženého stavu a další rozvoj výuky chemických předmětů po skončení tohoto projektu na FBMI nutné následující: 1. Udržovat současné vybavení laboratoře ve výborném a plně provozuschopném stavu pravidelnou údržbou, výměnou spotřebního materiálu přístrojů (zejména cartridge a UV lampy do vodárny, lampy do AAS Varian, kyvety do spektrofotometrů apod.). 2. Doplnit v laboratoři další přístroje, které se ukazují jako vhodné doplňky tímto projektem navržených experimentálních postupů (sušárny, myčka laboratorního skla, voltmetr s vysokým vstupním odporem pro měření potenciálů, osciloskop přechodových dějů na elektrodách apod.). Nutné bude doplnit drobný materiál a některé chemikálie. 3. V přihlášce tohoto vyřešeného projektu byl uveden i výhledový plán na rok V souladu s ním bude v roce 2006 pokračováno ve vývoji dalších zejména interdisciplinárně zaměřených složitějších instrumentálních úloh a projektové činnosti studentů na přístrojích pořízených z tohoto projektu. Zaměřením se bude hlavně jednat o aplikace optických metod, AAS a elektrochemických principů. Na výše uvedené aktivity plánované na rok 2006 je podán nový samostatný rozvojový projekt. Zdůvodnění čerpání finančních prostředků: a. Přehled čerpání finančních prostředků: Položka neinvestičních výdajů Přidělená dotace Čerpání dotace Mzdy Pohyblivé složky mzdy Dohody o pracích konaných mimo pracovní poměr 10 6 Odvody na sociální a zdravotní pojištění Drobný majetek Materiální náklady Služby a náklady nevýrobní povahy 35 0 Cestovní náhrady 25 8 Stipendia 0 0 Ostatní 0 0 Příspěvek na režii pracoviště 0 0 Celkem neinvestiční prostředky Kapitálové (investiční) prostředky Celkem za projekt Dotace na projekt byla čerpána v plné přidělené výši. b. Běžné (neinvestiční) finanční prostředky: 5

6 Z projektu byly čerpány následující neinvestiční položky (viz : 1. Mzdy a odměny vč. DPP ( Kč) Na projektu pracoval částí svého pracovního úvazku soustavně jeden pracovník FBMI (Ing. Karel Roubík, Ph.D.) s úhradou části mezd z tohoto projektu. Dále byly z projektu vyplaceny odměny řešitelům za splnění zadaných úloh (doc. Jabor, prof. Kneppo, Ing. Rožánek a Ing. Potůček). 2. Odvody na sociální a zdravotní pojištění ( Kč) Tyto náklady vyplývají ze zákona a jsou vázány na bod Drobný majetek ( Kč) Z projektu byl zakoupen drobný majetek podle plánovaného projektu a podle požadavků na sestavení studentských laboratorních úloh vzniklých při řešení tohoto projektu. Jedná se zejména o elektrody, senzory, pipety, ph metry, teploměry, laboratorní multimetry, vodní lázeň, magnetická vyhřívaná míchadla, vývěvu, předvážky a další drobné dovybavení laboratoře pro jednotlivé úlohy. 4. Materiální náklady ( Kč) Tato položka zahrnuje náklady na spotřebovaný materiál nutný pro provoz laboratoří (zejména chemikálie, výměnné cartridge do přístroje pro úpravu vody Direct Q3 UV pořízeného z tohoto projektu a drobný laboratorní materiál). 5. Služby a náklady nevýrobní povahy (0 Kč) Položka nebyla čerpána. Služby nutné pro zajištění projektu byly financovány z rozpočtu FBMI. 6. Cestovní náhrady (8 000 Kč) Náklady na dvě domácí cesty do firmy Elmet Přelouč a jedna metodická cesta na Univerzitu Palackého Olomouc. c. Kapitálové (investiční) finanční prostředky v roce 2005 Z projektu byly pořízeny následující investiční položky a investiční celky: 1. Váhy analytické Kern (2 x Kč, celkem Kč) Přesné analytické váhy s přesností 0,01 mg jako základní zařízení pro jednoduché úlohy a k použití pro přípravu reagencií pro speciální úlohy. Zakoupeny byly 2 ks dražších a přesnějších vah místo plánovaných 3 ks méně přesných vah. Tím také došlo k drobné úspoře inv. prostředků. 2 ks se ukázaly být zcela dostatečné pro splnění cílů projektu a zvýšená přesnost zakoupených vah je výhodou oproti vahám plánovaným v projektu. 2. Centrifuga chlazená 5702R ( Kč) Jedná se o chlazenou odstředivku s nutným příslušenstvím pro provoz jako investiční celek (výkyvný rotor A4-38). Centrifuga je nutná pro úpravu analytických vzorků biologického původu, resp. pro separaci korpuskulární a nekorpuskulární fáze biologických materiálů při studentských laboratorních experimentech. 3. Fotometr Visocolor životní prostředí ( Kč) Jedná se o manuální fotometr pro jednoduché optické studentské úlohy (určení koncentrace látky ve vzorku a podobně), jehož příslušenstvím jsou přímo reagencie 6

7 na stanovování základních látek sledovaných v životním prostředí. Ideální pro jednoduchá studentská měření. 4. Spektrofotometr Libra S22L ( Kč) přesný spektrofotometr s nutným příslušenstvím pro provoz jako investiční celek (držák 10mm kyvety s Peltierovým článkem, spreadsheet interface software pro komunikaci s PC). Je určen pro měření při různých vlnových délkách pro speciální studentské optické úlohy. 5. Homogenizér Sonopuls HD 2200 ( Kč) Ultrazvukový homogenizér s nutným příslušenstvím pro provoz jako investiční celek (špička MS73, stojan HG5) pro přípravu analytických vzorků (z tkání a podobných materiálů) jako základní přístroj pro vyučované laboratorní techniky. 6. Třepačka KS15A a třepačka QSR125 ( a Kč) Plánované 2 ks laboratorních třepaček pro přípravu roztoků a pro úpravu analytických vzorků jako základní pomůcka většiny připravených úloh. Třepačky se liší typem a parametry pohybu a možnostmi upevnění různých typů vzorků na plošinu. 7. Vodárna Direct Q3 UV ( Kč) Zařízení pro výrobu čisté a ultračisté vody s kontrolovanou vodivostí vhodnou pro všechny připravené analytické úlohy včetně atomové absorpční spektrofotometrie. Oproti projektu byl zakoupen přístroj levnější zhruba o Kč, který má ovšem stejné parametry kvality vody, ale je naopak vhodnější pro provoz ve studentské laboratoři z hlediska možnosti odstavení přístroje, požadavků na obsluhu a minimalizace provozních nákladů a péče o přístroj. Vodárna má nižší hodinovou produkci vody oproti plánovanému přístroji, ale ta je zcela postačující při plánovaných studentských úlohách. Zvolený typ je patrně jeden z nejvhodnějších variant pro naši laboratoř studentů. 8. Atomový absorpční spektrofotometr Varian Duo ( Kč) Výhodná sestava atomového absorpčního spektrofotometru, kdy za cenu jednoho přístroje v plánované výši byla pořízena modulární sestava s možností atomizace jak z grafitové kyvety, tak z plamene. Sestava obsahuje softwarové vybavení umožňující analýzu těžkých kovů, stopových prvků v různých biologických materiálech i materiálech prostředí. Tento přístroj je základem mnoha připravených laboratorních úloh a projektů studentů. Většina výše uvedených investičních položek (kromě fotometrů body 3 a 4) jsou přístroje mimo jiné nutné pro správnou práci a používání tohoto přístroje. 9. LCR metr Agilent ( Kč) Přesný LRC metr s možností SW řízení je používán zejména při elektrochemických úlohách z fyzikální chemie, kdy umožní studentům automatické měření impedančních vlastností roztoků, experimentálních tkání, impedančních vlastností elektrod pro snímání biopotenciálů, elektrodových nábojových dvojvrstev apod. Následující položky byly zakoupeny nad rámec původně plánovaných investičních výdajů, jejichž vhodnost zakoupení se ukázala v průběhu vlastního řešení projektu a byla umožněna již zdůvodněnými úsporami v položkách 1 a Zdroj pro elektroforézu E815 ( Kč) Elektroforéza patří mezi základní metody v biochemii a navíc se jedná o metodu, kterou lze jednoduše demonstrovat studentům a studenti ji mohou používat při 7

8 mnoha úlohách. Elektroforéza byla opomenuta v původním návrhu projektu, a proto byla nad jeho rámec pořízena tato položka. 11. Multimetr Multi 340i ( Kč) Jedná se univerzální měřič s mnoha elektrodami (ph, vodivost, po2, pco2) s možností připojit téměř libovolné další elektrody. V původním projektu se počítalo se zakoupením několika jednodušších neinvestičních jednoúčelových přístrojů. Tato sestava však umožňuje daleko více možností než soubor původně zamýšlených jednoúčelových přístrojů, a to za výhodnou cenu. 12. Ultrazvuková lázeň ELMA S80H ( Kč) Tato položka patří ke standardním pomůckám, které se používají v laboratoři při mnoha metodách, a bude sloužit standardním způsobem při studentských úlohách. 13. Kompresor Orlík ( Kč) Jedná se o zdroj stlačeného vzduchu, který je však pro potřeby experimentů v chemii navíc vybaven nutnými filtry, odlučovačem olejových částic a vysoušečkou vzduchu. 14. Muflová pec 003 LP-P ( Kč) Potřeba této položky vyplynula při definování návrhu laboratorních úloh studentů pro fyzikální chemii, kdy je nutná pro přípravu vzorků demonstrujících optické vlastnosti materiálů, jako je např. fosforescence a optická absorpce, které jsou principem mnoha senzorů používaných v biomedicínském inženýrství. Stejně jako elektroforéza (položka 10) patří tato metoda k velmi dobře a jednoduše demonstrovatelným principům pro studenty. Jelikož celkové náklady na investice překračují přidělenou částku, byl rozdíl mezi skutečnou cenou investičního majetku a poskytnutou dotací hrazen z rozpočtu FBMI. Závěr Projekt vyřešil výuku chemie na FBMI tak, aby absolventi školy měli znalosti odpovídající potřebám praxe. To je nikoliv znalosti příliš teoretické a systematicky rozdělené do jednotlivých podoborů chemie, ale spíše praktické a vycházející přímo z biomedicínské a klinické praxe tak, aby absolventi byli schopni přímo řešit úkoly v různých oborech biomedicíny a medicíny, které se chemie dotýkají, nebo jsou na ni založeny. K tomu bylo díky projektu vytvořeno špičkové zázemí a byla vytvořena struktura výuky chemie s detailně připravenými laboratorními úlohami. Cíle projektu byly zcela splněny a finanční prostředky byly použity v souladu s projektem. V Kladně, dne Ing. Karel Roubík, Ph.D. řešitel projektu. Prof. Ing. Miroslava Vrbová, CSc. děkanka FBMI ČVUT 8