Unsteady-State Mass Transfer in Gels with Microorganisms

D. P.  Khramtsov; Храмцов Д. П.; O. A.  Khramtsov; Сулягина О. А.; B. G. Pokusaev; Покусаев Б. Г.; A. V. Vyazmin; Вязьмин А. В.; D. A. Nekrasov; Некрасов Д. А.

doi:10.31857/S0040357123010074

Нестационарный массоперенос в гелях с микроорганизмами

Авторы: Храмцов Д.П.¹^,2, Сулягина О.А.¹, Покусаев Б.Г.¹^,2, Вязьмин А.В.¹^,2, Некрасов Д.А.¹^,2
Учреждения:
1. Московский политехнический университет
2. РТУ МИРЭА – Российский технологический университет
Выпуск: Том 57, № 1 (2023)
Страницы: 71-80
Раздел: Статьи
URL: https://journals.rcsi.science/0040-3571/article/view/138402
DOI: https://doi.org/10.31857/S0040357123010074
EDN: https://elibrary.ru/BMCHBK
ID: 138402

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ
Доступ закрыт

Доступ предоставлен
Доступ закрыт

Только для подписчиков

Аннотация
Об авторах
Список литературы
Дополнительные файлы
Статистика

Аннотация

Использование гидрогелей в качестве матрицы для инкубирования клеток и применение таких систем биоматериалов в качестве биочернил пригодным для 3D-биопечати является многообещающей перспективой в тканевой инженерии. Оптическими методами спектроскопии и микроскопии исследовались процессы тепло- и массообмена в гидрогелевых материалах на основе агарозы и желатина с инкубированными в объем геля модельными микроорганизмами. Проведено сравнение закономерности распространения фронта питательной среды в чистых желатиновых гидрогелях и смесевых гидрогелях на основе агарозы с добавлением желатина для определения диффузионных свойств смесевых гидрогелей, способных обеспечить доставку питательных компонентов к микроорганизмам. Получены новые данные о степени неоднородности роста микроорганизмов при их объемном инкубировании и разных температурных режимах инкубирования, что необходимо для управления свойствами биочернил при биопечати. Предложено аналитическое описание кривой роста клеток в геле и на ее основе получено выражение для определения скорости роста клеток. Разработана численная модель для описания процесса поглощения питательных веществ клетками в процессе их роста.

Ключевые слова

двухкомпонентный гель, метод спектрометрии, клетки, массоперенос, численная модель, метод случайного блуждания

Список литературы

Wasupalli G.K., Verma D. Thermosensitive injectable hydrogel based on chitosan-polygalacturonic acid polyelectrolyte complexes for bone tissue engineering // Carbohydrate Polymers. 2022. V. 294. P. 119769.
Aljohani W., Ullah M.W., Zhang X., Yang G. Bioprinting and its applications in tissue engineering and regenerative medicine // International Journal of Biological Macromolecules. 2018. V. 107. Part A. P. 261.
Wang Z., Kapadia W., Li C., Lin F., Pereira R.F., Granja P.L., Sarmento B., Cui W. Tissue-specific engineering: 3D bioprinting in regenerative medicine // J. Controlled Release. 2021. V. 329. P. 237.
Leberfinger A.N., Ravnic D.J., Dhawan A., Ozbolat I.T. Concise Review: Bioprinting of Stem Cells for Transplantable Tissue Fabrication // Stem Cells Translational Medicine. 2017. V. 6. P. 1940.
Pokusaev B.G., Karlov S.P., Vyazmin A.V., Nekrasov D.A. Laws of the formation and diffusion properties of silica and agarose gels // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2018. V. 52. № 2. P. 200. [Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А. Закономерности формирования и диффузионные свойства силикатных и агарозных гелей // Теоретические основы химической технологии. 2018. Т. 52. № 2. С. 200.]
He Y., Yang F., Zhao H., Gao Q., Xia B., Fu J. Research on the printability of hydrogels in 3D bioprinting // Sci Rep. 2016. № 6. P. 29977
Hong S., Kim J.S., Jung B., Won C., Hwang C. Coaxial bioprinting of cell-laden vascular constructs using a gelatin–tyramine bioink // Biomater. Sci. 2019. № 7. P. 4578.
Chekini M., Krivoshapkina E., Shkodenko L., Koshel E., Shestovskaya M., Dukhinova M., Kheiri S., Khuu N., Kumacheva E. Nanocolloidal Hydrogel with Sensing and Antibacterial Activities Governed by Iron Ion Sequestration // Chemistry of Materials. 2020. № 32 (23). P. 10066.
Han X., He J., Wang Z., Bai Z., Qu P., Song Z., Wang W. Fabrication of silver nanoparticles/gelatin hydrogel system for bone regeneration and fracture treatment // Drug Delivery. 2021. № 28. P. 319.
Guiting L.,Yuan Z., Xianlong Z., Shaoyun G. Advances in hydrogels for stem cell therapy: regulation mechanisms and tissue engineering applications // J. Mater. Chem. B. 2022. № 10. P. 5520.
Bedell M.L. Human gelatin-based composite hydrogels for osteochondral tissue engineering and their adaptation into bioinks for extrusion, inkjet, and digital light processing bioprinting // Biofabrication. 2022. № 14. P. 045012.
Pokusaev B.G., Vyazmin A.V., Zakharov N.S., Khramtsov D.P., Nekrasov D.A. Unsteady mass transfer of nutrients in gels with channels of different spatial structures // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2020. V. 54. P. 277. [Покусаев Б.Г., Вязьмин А.В., Захаров Н.С., Храмцов Д.П., Некрасов Д.А. Нестационарный массоперенос питательных веществ в гелях с каналами различной пространственной структуры // Теоретические основы химической технологии. 2020. Т. 54. № 2. С. 163.]
Меледина Т.В., Давыденко С.Г. Дрожжи Saccharomyces serevisiae. Морфология, химический состав, метаболизм. СПб.: Университет ИТМО, 2015.
Радченко В.Г., Шабров А.В., Зиновьева Е.Н., Ситкин С.И. Заболевания печени и желчевыводящих путей. СПб.: СпецЛит, 2011.
The Yeasts: A Taxonomic Study / Eds. Kurtzman C.P., Fell J.W., Boekhout T. Amsterdam: Elsevier, 2011.
Красников И.В., Привалов В.Е., Сетейкин А.Ю., Фотиади А.Э. Распространение оптического излучения в биологических тканях // Вестник Санкт-Петербургского университета. Медицина. 2013. № 4. С. 202.
Beck J.V., Blackwell B., Haji-Sheikh A. Comparison of some inverse heat conduction methods using experimental data // International J. Heat and Mass Transfer. 1996. V. 39. P. 3649.
Pottmann H., Leopoldseder S., Hofer M. Approximation with active B-spline curves and surfaces // Proc. 10th Pacific Conference on Computer Graphics and Applications, 2002. P. 8.
Iliev A., Kyurkchiev N., Markov S. On the approximation of the step function by some sigmoid functions // Mathematics and Computers in Simulation. 2017. V. 133. P. 223.
Kyurkchiev N., Markov S. Sigmoidal Functions: Some Computationaland Modelling Aspects // Biomath Communications. 2014. № 1/2.
Pokusaev B.G., Karlov S.P., Nekrasov D.A. Agarose gels with bioresorbable additives: The kinetics of the formation, structure, some properties // Chemical Engineering Transactions. 2019. V.74. P. 1171.
Jakab C., Norotte C., Marga F. Tissue engineering by self-assembly and bioprinting of living cells // Biofabrication. 2010. V. 2. № 2. P. 022001.