Исследование ученых ТПУ поможет оптимизировать технологии 3D-биопечати
Ученые лаборатории тепломассопереноса Инженерной школы энергетики и Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий Томского политеха исследовали, как ведет себя гелеобразная жидкость при проникновении в пористый слой наномембран, применяемых в тканевой инженерии. Изучение механизма осаждения частиц гидрогеля в поры наномембранного материала позволило составить более точную математическую модель для прогнозирования процесса формирования функционального слоя при трехмерной биопечати. Полученные данные позволяют оптимизировать технологии биопечати с использованием полимеров и микропроизводства биоматериалов. Об этом CNews сообщили представители ТПУ.
Исследование проводилось при поддержке гранта Российского научного фонда. Результаты работы ученых опубликованы в журналах International Communications in Heat and Mass Transfer (Q1; IF:7) и Physics of Fluids (Q1; IF:4,6).
Гидрогель — один из наиболее перспективных и популярных биополимеров для биомедицинских применений, включая создание новых материалов методом 3D-печати. Он используется в качестве основного компонента биочернил. Для прогнозирования процесса формирования слоя при трехмерной биопечати важно понимать механизм взаимодействия биочернил с поверхностью. При этом значимое влияние на процесс оказывают свойства поверхности.
Ученые Томского политеха экспериментально исследовали гидродинамические характеристики взаимодействия частиц гидрогеля с пористыми наномембранными материалами, когда биочернила проникают вглубь наномембран. В рамках исследования они смоделировали процесс биопечати методом воздушной микрофлюидики. Для этого была использована разработанная политехниками ранее экспериментальная лабораторная установка. Суть процесса заключается в том, что создаются два потока жидкости — микрокапельный и микроструйный, которые управляемо соединяются в воздухе, формируя однородные микросферы гидрогеля на основе альгината натрия. Далее они соударяются с полимерной наномембранной поверхностью. Политехники проанализировали кадры высокоскоростной видеорегистрации для оценки динамики растекания гидрогеля вдоль поверхности. С помощью математического аппарата было учтено количество гидрогеля, которое уходит вглубь материала, и другие важные показатели процесса осаждения микросфер.
«На предыдущем этапе исследования мы детально изучили процесс растекания биочернил в виде отдельных микросфер вдоль гладких стеклянных подложек, традиционно используемых в 3D-биопечати. Изучение гидродинамического поведения микросфер гидрогеля при проникновении в поры нановолокнистых мембранных материалов позволило составить более точную модель для описания процесса формирования слоя при трехмерной биопечати. При этом исследованы два последовательных взаимодействия: удар первой микросферы гидрогеля о сухую поверхность — столкновение «частица-поверхность» и затем удар второй микросферы гидрогеля о первую — столкновение «частица-частица», — сказал руководитель проекта, доцент Научно-образовательного центра И.Н. Бутакова Максим Пискунов.
Разработанный прогностический аппарат является универсальным. Его можно применять для описания процесса формирования слоя при использовании разных биополимерных чернил и разных нановолокнистых поверхностей.
Также ученые предложили концепцию технологии формирования слоя биополимера с контролируемыми геометрическими параметрами в рамках 3D-биопечати напрямую на нановолокнистом каркасе. Кроме того, они оценили ряд технологических параметров движения печатного узла с микросоплами. В частности, показано, по каким траекториям может двигаться сопло, которое генерирует биочернила в биопринтере и с какими скоростями они должны двигаться.
«Полученные результаты будут актуальны при выборе оптимальных технологий 3D-биопечати под конкретные задачи, в том числе для контролируемой доставки биологических материалов и активных фармацевтических ингредиентов внутрь и вблизи нановолокнистого каркаса будущей ткани. При управляемом соударении гидрогелевой микросферы-носителя клеточных культур или фармпрепаратов с нановолокнистой поверхностью появляется возможность их адресного распределения вдоль и вглубь каркаса. Это задача наших будущих исследований», — отметил Максим Пискунов.