The influence of roughness and geometrical structure of tissue surface on friction forces during the tissue cultivation in bioreactor

• Autorzy: Miszczak A. , Wierzcholski K. , Chizhik S.A.

Warianty tytułu

PL

Wpływ chropowatości i geometrycznej struktury powierzchni tkanki na siły tarcia podczas hodowli tkanek w bioreaktorze

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The flow parameters of nutrient fluid such as flow direction, shear rate, friction forces on the thin boundary layer near the superficial layer of cultivated sample depend on its roughness and geometrical structure. The inequalities with depth about some microns have important meaning during the flow around the tissue surface during the procedures connected with cultivation in bioreactor. Thus follows absolute necessity of measurements of surface inequalities of cultivated cartilages with exactness in nano-level. The main research problem containing in this paper refer to the above problem. Very oft random effect of the roughness distribution on the tissue sample in bioreactor leads to the non controlled growth of the tissue cells. Therefore is needed the general control algorithm of the influence of working parameters and properties of artificial and articular cultivated tissue on the tissue growth process. In this paper are presented same trials of viscosity measurements of liquid in static and dynamic conditions; thickness of the artificial boundary layer determinations, roughness of the tissue sample illustrations, the methods of friction forces calculations. In a basis of the control algorithms here will be possible to apply various methodologies of scanning probe microscopy. More effective is shear force microscopy mode.

PL

Najnowsze trendy naukowe w Unii Europejskiej i w USA w zakresie biotribologii idą w kierunku uwzględnienia zmian chropowatości zewnętrznej powierzchni tkanki w trakcie procesu hodowli w bioreaktorze. W mikrokontenerach bioreaktora hodowana tkanka jest permanentnie zraszana i polewana mediami o odżywczych oraz terapeutycznych właściwościach nienewtonowskich, gdzie często są to ciecze z odpowiednimi dodatkami lepkosprężystymi, wywołującymi pożądany wzrost tkanki. W bezpośredniej bliskości tkanki w warstewce granicznej o grubości od 0,01 do 0,10 mikrometrów mamy do czynienia z przepływem lepkim w cienkiej warstewce przyściennej. Składowe mikroprędkości tego przepływu nienewtonowskiej cieczy zależą nie tylko od wydatku objętościowego pompy zraszającej łóżeczko bioreaktora, lecz przede wszystkim od chropowatości zewnętrznej powierzchni tkanki. Tak powstałe pole małych prędkości zmieniające się w sposób istotny oraz zależne od ukształtowania występów chropowatości powierzchni zewnętrznej tkanki nie miałoby znaczenia, gdyby nie zasadnicze zmiany wartości sił tarcia powstające na powierzchni tkanki w trakcie przepływu. Te siły tarcia o małych wartościach rzędu poniżej 1 mN, lecz o dużych zmianach zależnych od chropowatości powierzchni tkanki kształtują w sposób znaczący hodowlę tkanki. Pomiar tak małych sił tarcia przy obecnych warunkach technicznych w trakcie ciągłego wzrostu tkanki jest prawie niemożliwy. Dlatego prace analityczno-numeryczne w tym zakresie mają duże znaczenie poznawcze. Przedstawiony obszar badań zarówno w zakresie numerycznym, jak i doświadczalnym stanowi nową dziedzinę w zakresie nanotribologii, którą można nazwać histotribologią, a nawet cytotribologią. Przedstawione w pracy wyniki badań doświadczalnych pomierzone zostały za pomocą mikroskopu sił atomowych. Wyniki uzyskane zostały w Instytucie Przepływu Masy i Ciepła Białoruskiej Akademii Nauk w Mińsku w ramach projektu Europejskiego Transfer of Knowledge we współpracy z prof. S. Chizhikiem.

Słowa kluczowe

EN

perfusion; growth of tissue; friction forces

PL

polewanie; wzrost tkanki; siły tarcia

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2006
• Tom: nr 4
• Strony: 99--112
• Opis fizyczny: Bibliogr. 17 poz., rys.

Twórcy

autor

Miszczak A.

autor

Wierzcholski K.

autor

Chizhik S.A.

• Gdynia Maritime University,

Bibliografia

• 1. Ahn H.-S., Chizhik S.A., Dubravin A.M., Kazachenko V.P., Popov V.V.: Application of phase contrast imaging atomic force microscopy to tribofilms on DLC coatings, Wear, 2001, 249, pp. 617-625.
• 2. Burnham N., Colton R.J.: Measuring the nanomechanical properties and surface forces of materials using an atomic force microscope, Journal of Vacuum Science and Technology, 1989, A7, pp. 2906-2913.
• 3. Fung Y.C.: Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues, Springer Verlag, New York, 1993, pp. 220-241.
• 4. Chizhik S.A., Huang Z., Gorbunov V.V., Myshkin N.K., Tsukruk V.V.: Micromechanical properties of elastic polymeric materials as probed by scanning force microscopy, Langmuir, 1998, 14, pp. 2606-2609.
• 5. Chizhik S.A., Ahn H.-S., Chikunov V.V., Suslov A.A.: Tuning fork energy dissipation nanotribometry as option of AFM, Proceeding International Workshop "Scanning Probe Microscopy", Nizhny Novgorod, 2004, pp. 119-121.
• 6. http://www.boku.ac.at/iam/ifa/mbr.gif, 2006.
• 7. http://bvt.gbf.de/zkt/tissue-engineering.html, 2003.
• 8. Magonov S.N., Elings V., Whangbo M.-H.: Phase imaging and stiffness in tapping-mode atomic force microscopy, Surface Science Letter, 1997, Vol. 375, pp.L385-L394.
• 9. Mow V.C, Guilak F.: Cell Mechanics and Cellular Engineering, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1994.
• 10. Maurel W., Wu Y., Thalmann D.: Biomechanical Modells for Soft Tissue Simulation, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1998.
• 11. Pioletti D.P.: Viscoelastic Properties of Soft Tissues: Application to Knee Ligaments and Tendons, Ph.D. thesis, Epfl - Lausanne Univ., 1997.
• 12. Shasholko D.I., Suslov A.A., Chizhik S.A.: Joint analysis of topography and contrast SPM images with the software package SurfaceView, Proceeding International Workshop "Scanning Probe Microscopy", Nizhny Novgorod, 2002, pp. 252-254.
• 13. Truesdell C.: A First Course in Rational Continuum Mechanics, John Hopkins University, Baltimore, Maryland, 1972.
• 14. Tsukruk V.V., Gorbunov V.V., Huang Z., Chizhik S.A.: Dynamic microprobing of viscoelastic polymer properties, Polymer International, 2000, 49, pp. 441-444.
• 15. Wierzcholski K., Ghaemi M.H.: Tribological properties of tissue in biobearings and bioreactors as the histotribological parameters, Exploitation Problems of Machines, Polish Academy of Sciences 2005, No.3, pp. 17-30.
• 16. Wierzcholski K., Cwanek J.: Measurements of surface roughness of heads of human hip joints in lubrication aspects, Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej, Technical University of Gliwice, 2005, pp. 477-483.
• 17. Wierzcholski K.: Asperities and deformations of hyper elastic joint cartilages in cultivation aspects, Zeszyty Naukowe Katedry Mechaniki Stosowanej, Technical University of Gliwice, 2005, pp. 469-475.