Нестационарный массоперенос в гелевых системах с оксидом графена применительно к технологиям 3D-биопечати

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Методами подвижных границ и оптического зондирования проведено сравнение закономерности распространения диффузионного фронта как в чистых агарозных гидрогелях, так и с добавлением оксида графена, и измерены массопроводные свойства гелевых систем. Установлено, что оксид графена обладает высокой поверхностной активностью, становится частью сетчатой структуры геля, влияя на скорость и эффективность диффузии. Кроме того, оксид графена способствует упорядочиванию гелевой структуры или же снижает рассеяние света внутри геля. Сочетание гидрогелей с оксидом графена позволяет создавать системы с управляемыми оптическими свойствами, что, в свою очередь, открывает новые возможности для совершенствования технологий 3D-биопечати. На основе метода случайного блуждания предложена численная модель, которая хорошо подходит для описания структур гидрогелей с оксидом графена. Данная модель позволит определять качество материалов в технологиях 3D-биопечати с точки зрения эффективности подачи питательных веществ для живых микроорганизмов, расположенных внутри геля. Сопоставление экспериментальных данных и численного моделирования продемонстрировало их значительное соответствие.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. П. Храмцов

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: a.moshin97@mail.ru
Россия, Москва

А. А. Мошин

Московский политехнический университет; МИРЭА – Российский технологический университет

Автор, ответственный за переписку.
Email: a.moshin97@mail.ru
Россия, Москва; Москва

Б. Г. Покусаев

Московский политехнический университет; МИРЭА – Российский технологический университет

Email: a.moshin97@mail.ru
Россия, Москва; Москва

Д. А. Некрасов

Московский политехнический университет; МИРЭА – Российский технологический университет

Email: a.moshin97@mail.ru
Россия, Москва; Москва

Н. С. Захаров

МИРЭА – Российский технологический университет

Email: a.moshin97@mail.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Xu W., Jambhulkar S., Ravichandran D., Zhu Y., Kakarla M., Nian Q., Azeredo B., Chen X., Jin K., Vernon B. 3D printing– enabled nanoparticle alignment: A review of mechanisms and applications // Small. 2021. V. 17.
  2. Kumar V., Kaur H., Kumari A., Hooda G., Garg V., Dureja H. Drug delivery and testing via 3D printing // Bioprinting. 2023. V. 36.
  3. Banga H.K., Kalra P., Belokar R.M., Kumar R. Design and fabrication of prosthetic and orthotic product by 3D printing. In Prosthetics and Orthotics // IntechOpen. London, 2020.
  4. 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.]
  5. Itapu B.M., Jayatissa A.H. A review in graphene/polymer composites // Chem. Sci. Int. J. 2018. № 23. Р. 1.
  6. Palmieri, V., Spirito M.D., Papi M. Graphene-based scaffolds for tissue engineering and photothermal therapy // Nanomedicine. 2020. № 15. Р. 1411.
  7. Mantecón-Oria M., Tapia O., Lafarga M., Berciano M.T., Munuera J.M., Villar-Rodil S., Paredes J.I., Rivero M.J., Diban N., Urtiaga A. Influence of the properties of different graphene-based nanomaterials dispersed in polycaprolactone membranes on astrocytic differentiation // Sci. Rep. 2022. № 12. Р. 13408.
  8. Patil R., Alimperti S. Graphene in 3D Bioprinting // J. Funct. Biomater. 2024. № 15. Р. 82. https://doi.org/10.3390/jfb15040082.
  9. Hong N., Yang G. H., Lee J., Kim G. 3D Bioprinting and Its in vivo Applications // J. Biomed. Mater. Res. Part B. 2018. V. 106. № 1. P. 444.
  10. Holzl K., Lin S. M., Tytgat L., Van Vlierberghe S., Gu, L.X., Ovsianikov A. Bioink Properties Before, During and After 3D Bioprinting // Biofabrication. 2016. V. 8. № 3. P. 032002.
  11. Gillies A.R., Lieber R.L. Structure and Function of the Skeletal Muscle Extracellular Matrix // Muscle Nerve. 2011. V. 44. № 3. Р. 318.
  12. Derakhshanfar S., Mbeleck R., Xu K., Zhang X., Zhong W., Xing M. 3D Bioprinting for Biomedical Devices and Tissue Engineering: A Review of Recent Trends and Advances // Bioact. Mater. 2018. V. 3. № 2. Р. 144.
  13. Shi Y., Xing T.L., Zhang H.B., Yin R.X., Yang S.M., Wei J., Zhang W.J. Tyrosinase-doped Bioink for 3D Bioprinting of Living Skin Constructs // Biomed. Mater. 2018. V. 13. № 3. Р. 035008.
  14. Haring A.P., Thompson E.G., Tong Y., Laheri S., Cesewski E., Sontheimer H., Johnson B.N. Process– and Bio-inspired Hydrogels for 3D Bioprinting of Soft Free-standing Neural and Glial Tissues // Biofabrication. 2019. V. 11. № 2. Р. 025009.
  15. Birenboim. M., Nadiv. R., Alatawna. A., Buzaglo. M., Schahar. G., Lee. J., Kim. G., Peled A., Regev O. Reinforcement and workability aspects of graphene-oxide-reinforced cement nanocomposites // Compos. Part. B Eng. 2019. № 161. Р. 68.
  16. Yoo M.J., Park H.B. Effect of hydrogen peroxide on properties of graphene oxide in Hummers method // Carbon. 2019. № 141. Р. 515.
  17. Dmitriev A.S., Klimenko A.V. Prospects for the Use of Two-Dimensional Nanomaterials in Energy Technologies (Review) // Thermal Engineering. 2023. V. 70. № 8. Р. 551.
  18. Motiee E.S., Karbasi S., Bidram E., Sheikholeslam M. Investigation of physical, mechanical and biological properties of polyhydroxybutyrate-chitosan/graphene oxide nanocomposite scaffolds for bone tissue engineering applications // Int. J. Biol.Macromol. 2023. № 247. Р. 125593.
  19. Challa A.A., Saha N., Szewczyk P.K., Karbowniczek J.E., Stachewicz U., Ngwabebhoh F.A., Saha P. Graphene oxide produced from spent coffee grounds in electrospun cellulose acetate scaffolds for tissue engineering applications // Mater. Today Commun. 2023. № 35. Р. 105974.
  20. Wajahat M., Kim J.H., Ahn J., Lee S., Bae J., Pyo J., Seol S.K. 3D printing of Fe3O4 functionalized graphene-polymer (FGP) composite microarchitectures // Carbon. 2020. № 167. Р. 278.
  21. Palaganas J.O., Palaganas N.B., Ramos L.J.I., David C.P.C. 3D printing of covalent functionalized graphene oxide nanocomposite via stereolithography // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. № 11. Р. 46034.
  22. Ibrahim A., Klopocinska A., Horvat K., Abdel Hamid, Z. Graphene-based nanocomposites: Synthesis, mechanical properties, and characterizations // Polymers. 2021. № 13. Р. 2869.
  23. Vatani M., Zare Y., Gharib N., Rhee K.Y., Park S.J. Simulating of effective conductivity for graphene–polymer nanocomposites // Sci. Rep. 2023. № 13. Р. 5907.
  24. Haney R., Tran P., Trigg E.B., Koerner H., Dickens T., Ramakrishnan S. Printability and performance of 3D conductive graphite structures // Addit. Manuf. 2021. № 37. Р. 101618.
  25. Borode A.O., Ahmed N.A., Olubambi P.A., Sharifpur M., Meyer J.P. Effect of various surfactants on the viscosity, thermal and electrical conductivity of graphene nanoplatelets Nanofluid // Int. J. Thermophys. 2021. № 42. Р. 158.
  26. Solìs Moré Y., Panella G., Fioravanti G., Perrozzi F., Passacantando M., Giansanti F., Ardini M., Ottaviano L., Cimini A., Peniche C. Biocompatibility of composites based on chitosan, apatite, and graphene oxide for tissue applications // J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2018. № 106. Р. 1585.
  27. Patil R., Bahadur P., Tiwari S. Dispersed graphene materials of biomedical interest and their toxicological consequences. Adv. Colloid Interface Sci. 2020. № 275. Р. 102051.
  28. Khramtsov D.P., Sulyagina O.A., Pokusaev B.G., Vyazmin A.V., Nekrasov D.A., Moshin A.A. Nonstationary mass transfer of nutrient medium for microorganisms in mixed gels // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2022. V. 56. P. 669. [Храмцов Д.П., Сулягина О.А., Покусаев Б.Г., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А., Мошин А.А. Нестационарный массоперенос питательной среды для микроорганизмов в смесевых гелях // Теоретические основы химической технологии. 2022. Т. 56. № 5. С. 539.]
  29. Lin C.C., Metters A.T. Hydrogels in controlled release formulations: Network design and mathematical modeling // Advanced Drug Delivery Reviews. 2006. V. 58. P. 1379.
  30. Masuda N., Porter M.A., Lambiotte R. Random walks and diffusion on networks // Physics Reports. 2017. V. 716–717. P. 1.
  31. Geim A.K. Random walk to graphene // International journal of Modern Physics B. 2011. V. 25. № 30. P. 4055.
  32. Vamos, Calin, et al. Generalized Random Walk Algorithm for the Numerical Modeling of Complex Diffusion Processes // Journal of Computational Physics. 2023. V. 186. № 2. P. 527. doi: 10.1016/S0021-9991(03)00073-1.
  33. Ghoniem, Ahmed F., and Frederick S. Sherman. Grid-Free Simulation of Diffusion Using Random Walk Methods // Journal of Computational Physics. 1985. V. 61. № 1. 1985. P. 1. doi: 10.1016/0021-9991(85)90058-0.
  34. Zabet M., Mishra S., Kundu S. Effect of graphene on the self-assembly and rheological behavior of a triblock copolymer gel // RSC Advances. 2015. № 5. Р. 83936. doi: 10.1039/c5ra13672e.
  35. Siripongpreda T., Jiraborvornpongsa N., Composto R.J., Rodthongkum N. Titanium dioxide/nitrogen-doped graphene-biopolymer based nanocomposite films for pollutant photodegradation and laser desorption ionization mass spectrometry of biomarkers // Nano-Structures & Nano-Objects. 2024. V. 38. Р. 101203.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Фотография сканирующей электронной микроскопии коллоидного раствора оксида графена.

Скачать (190KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Схема экспериментальной установки.

Скачать (132KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Схема установки.

Скачать (133KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Вероятность направления микроканала определяется весовыми коэффициентами r1, r2, r3.

Скачать (21KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Формирование каналов методов случайного блуждания.

Скачать (89KB)
Метаданные
7. Рис. 6. График зависимости интенсивности пропускания света образцом агарозного гидрогеля 0.4 мас.% с оксидом графена 1 мас. % в различные моменты времени от начала процесса, мин: 1 – 0, 2 – 60, 3 – 90, 4 – 120, 5 – 150, 6 – 180.

Скачать (72KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Закономерность распространения фронта фуксина: (А) агарозный гидрогель 0.4 мас. %, (Б) агарозный гидрогель 0.4 мас. % с добавлением оксида графена 1 мас. % в различные моменты времени с начала эксперимента, мин: 1 – 0, 2 – 60, 3 – 90, 4 – 120, 5 – 150, 6 – 180.

Скачать (150KB)
Метаданные
9. Рис. 8. Зависимости временной динамики роста границы фронта фуксина в объеме агарозного геля 0.4 мас. % с добавлением оксида графена. 1 – агарозный гель 0.4 мас. % + оксид графена 0.1 мас. %, 2 – агарозный гель 0.4 мас. % + оксид графена 0.5 мас. %, 3 – агарозный гель 0.4 мас. % + оксид графена 1 масс. %, 4 – чистый агарозный гель 0.4 мас. %.

Скачать (64KB)
Метаданные
10. Рис. 9. Зависимости временной динамики роста границы фронта фуксина в объеме агарозного геля 0.6 мас. % с добавлением оксида графена. 1 – агарозный гель 0.6 мас. % + оксид графена 0.1 мас. %, 2 – агарозный гель 0.6 мас. % + оксид графена 0.5 мас. %, 3 – агарозный гель 0.6 мас. % + оксид графена 1 мас. %, 4 – чистый агарозный гель 0.6 мас. %.

Скачать (68KB)
Метаданные
11. Рис. 10. Зависимости временной динамики роста границы фронта фуксина в объеме агарозного геля 0.8 мас. % с добавлением оксида графена. 1 – агарозный гель 0.8 мас. % + оксид графена 0.1 мас. %, 2 – агарозный гель 0.8 мас. % + оксид графена 0.5 мас. %, 3 – агарозный гель 0.8 мас. % + оксид графена 1 мас. %, 4 – чистый агарозный гель 0.8 мас. %.

Скачать (64KB)
Метаданные
12. Рис. 11. Зависимость оптической плотности агарозных гелей от концентрации оксида графена 0.1 мас. %, 0.5 мас. %, 1 мас. % на длине волны 450 нм. 1 – 0.4 мас. %, 2 – 0.6 мас. %, 3 – 0.8 мас. %.

Скачать (81KB)
Метаданные
13. Рис. 12. Зависимость временной динамики роста фуксина в агарозном геле 0.4% с добавлением оксида графена. 1 – агарозный гель 0.4 мас. % + оксид графена 0.5 мас. %; 2 – агарозный гель 0.4 мас. % + оксид графена 1.0 мас. %; 3 – чистый агарозный гель 0.4 мас. %; 4 – агарозный гель 0.4 мас. % + оксид графена 0.5 мас. % (модель); 5 – агарозный гель 0.4 масс. % + оксид графена 1.0 масс. % (модель); 6 – чистый агарозный гель 0.4 масс. % (модель).

Скачать (65KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2025