В ходе экспериментов политехники вывели эмпирическую формулу, с помощью которой можно прогнозировать процесс послойной биопечати применительно к технологии тканевой биоинженерии, а также заранее выбирать наиболее эффективный полимер и его оптимальную концентрацию для решения конкретных задач. В перспективе это поможет повысить функциональные возможности промышленных и биомедицинских технологий, основанных на использовании полимерных жидкостей со сложной структурой.
Исследование проводится при поддержке гранта Российского научного фонда. Результаты работы ученых опубликованы в журнале Langmuir (Q2; IF:3,9).
Эффект соударения капли жидкости со стенкой лежит в основе многих технологий и практических приложений. Например, взаимодействие частиц микрогеля с поверхностью определяет формирование полимерного слоя на каркасе из нановолокон в процессе биопечати. В российской науке есть достаточно работ, посвященных исследованию ударной динамики однородных и неоднородных жидкостей — воды и эмульсий – разных размеров. Аналогичное поведение сложной частицы геля микронных размеров, которая имеет жидкое ядро и твердую оболочку, ранее не изучалось.
Ученые Томского политеха исследовали формирование микрогелевого слоя на однородной поверхности сапфирового стекла и нетканой полимерной мембране, изготовленной методом электроспиннинга. Это совместный проект специалистов НОЦ И.Н. Бутакова, лаборатории тепломассопереноса Инженерной школы энергетики и Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий, который реализуется под руководством доцента Максима Пискунова.
Для исследования ученые использовали экспериментальный стенд, он воспроизводит процесс биопечати методом воздушной микрофлюидики. Метод заключается в формировании в воздухе двух потоков — модельного полимера и сшивающего агента, которые при взаимодействии образуют частицы микрогеля. При этом на сшиваемый биополимер действует внешнее вибрационное воздействие, необходимое для формирования частиц типа «бусины-на-нити». На стенде это реализовано при помощи напечатанного на 3D-принтере каркаса для крепления микросопел и пьезоэлектрического элемента.
В ходе экспериментов политехники провели комплексный анализ процесса последовательного взаимодействия частиц микрогеля с поверхностью и между собой. В результате ученые составили эмпирическую формулу, которая учитывает свойства поверхности и жидкости.При создании экспериментального стенда мы разработали электрическую схему, как основной ее элемент, работающую по принципу обратного пьезоэффекта. Технология воздушной микрофлюидики предполагает получение сферических частиц одинакового размера с равноудаленным расстоянием между ними. Для этого мы по определенному сигналу подаем напряжение на пьезоэлемент, который вибрирует и передает вибрационное воздействие на сопло и поток жидкости. Это приводит к тому, что микропоток из сопла дестабилизируется управляемо, в одном и том же месте и становится прогнозируемым по геометрическим параметрам. Такой подход позволяет модернизировать технологию печати, делая процесс создания микроструктур — слоев микрогеля — контролируемым,
Использование формулы поможет оптимизировать процесс биопечати. Она является универсальной для расчетов. Зная всего два параметра, — шероховатость поверхности и степень гелеобразования микрогеля — мы можем подставлять их в выражение и прогнозировать диаметр максимального растекания капли/частицы для разных гелеобразных жидкостей и разных по шероховатости поверхностей. С помощью данного уравнения можно рассчитывать площади формирования биополимерного слоя толщиной в одну и две частицы. В перспективе реализация подобной технологии обеспечит мобильное одноэтапное формирование заданного по площади слоя из частиц-контейнеров микрогеля, засеянных, например, живыми клетками,
Эксперименты проводились для гидрофобных (отталкивающих воду) поверхностей. В планах ученых провести аналогичные исследования для гидрофильной (впитывающей) поверхности. Также будут учтены новые характеристики поверхности, такие как пористость, диаметр нановолокна, расстояние между нановолокнами, их расположение, смачиваемость. Это расширит диапазон применимости полученных фундаментальных и прикладных результатов.