Ученые ТПУ создали формулу для прогноза биопечати с микрогелевыми частицами

Ученые из Томского политехнического университета провели исследование поведения микрогелевых частиц при взаимодействии с гладкими стеклянными и неоднородными нановолокнистыми поверхностями в процессе трехмерной печати биополимерами.

Они изучили влияние свойств жидкости и характеристик поверхности на максимальный диаметр растекания частицы микрогеля. В результате экспериментов была выведена эмпирическая формула, которая позволяет прогнозировать процесс биопечати и выбирать оптимальный полимер и его концентрацию для решения задач в тканевой биоинженерии. Это открывает новые возможности для промышленных и биомедицинских технологий, использующих сложные полимерные жидкости.

Сущность многих технологий и практических применений заключается в ударных взаимодействиях капель жидкости со стенками. Например, взаимодействие частиц микрогеля с поверхностью определяет формирование полимерного слоя в процессе биопечати. Исследования динамики однородных и неоднородных жидкостей уже проводились в российской науке, но поведение сложной гелевой частицы, которая имеет жидкое ядро и твердую оболочку, ранее неизучено.

Томские ученые исследовали формирование микрогелевого слоя на гладкой поверхности стекла и нановолокнистой полимерной мембране, изготовленной электроспиннингом. Этот проект реализовали специалисты из НОЦ И.Н. Бутакова, лаборатории тепломассопереноса Инженерной школы энергетики и Исследовательской школы химических и биомедицинских технологий под руководством доцента Максима Пискунова.

Для экспериментов был использован специальный стенд, который воссоздает процесс биопечати методом воздушной микрофлюидики. Этот метод заключается в формировании двух потоков модельного полимера и сшивающего агента, которые образуют частицы микрогеля при их взаимодействии. Вибрационное воздействие на сшиваемый биополимер, создаваемое пьезоэлектрическим элементом, необходимо для формирования частиц в форме бусин на нити. На стенде это реализовано с помощью каркаса для крепления микросопел, напечатанного на 3D-принтере.

В ходе экспериментов ученые провели комплексный анализ взаимодействия частиц микрогеля с поверхностью и между собой. В результате исследователи составили эмпирическую формулу, учитывающую свойства поверхности и жидкости.

Исследования проводились на гидрофобных поверхностях. Ученые также планируют провести аналогичные исследования на гидрофильных поверхностях. Кроме того, они намерены учесть новые характеристики поверхности, такие как пористость, диаметр нановолокна, расстояние между нановолокнами и их расположение, а также смачиваемость. Это позволит расширить диапазон применения полученных результатов как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях.

Результаты опубликованы в издании Langmuir.

14.08.2023