Equations of the tribological parameters for liquid flow in boundary layer on the tissue surface in bioreactor

• Autorzy: Wierzcholski K.

Warianty tytułu

PL

Wyznaczanie parametrów tribologicznych dla przepływu cieczy w warstwie granicznej na powierzchni tkanki w bioreaktorze

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this paper is assumed the viscous liquid flow in the thin boundary layer near to the tissue surface during the unsteady cultivation process in bioreactor. The cultivation process of the tissue sample in contemporary bioreactor depend on the properties of nutrient liquids. To assure the optimal growth of tissue we introduce various additions into the nutrient liquid. The additions have often elastic properties. Therefore the nutrient liquids have very often the non-Newtonian properties especially the visco-elastic properties. To solve this problem we apply the all terms of Rivlin-Ericksen dependencies between stress components and shear rates. During the cultivation we have continuous growth of the superficial layer of tissue. Therefore the height of the boundary layer changes in the time and the non stationary boundary conditions on the external tissue surface are taken into account. The viscoelastic properties of the nutrient liquids change significant the values of components of velocity values in comparison with the values of velocity components for Newtonian liquid properties. Thus follows absolute necessity of the application of the nonlinear stress-strain dependencies for the nutrient fluids in hydromechanics flow calculations. This method enables to obtain the real values of flow parameters, necessary flow rates and friction forces occurring during the tissue cultivation process in bioreactor. Recently experiments indicate, that the non stationary flow conditions in bioreactor increases the efficiency of the cultivation process of tissue. Therefore in presented calculations the unsteady conditions are taken into account.

PL

W niniejszej pracy przedstawiony został problem tribologiczny wynikający z przepływu nieustalonego odżywczej cieczy lepkiej w cienkiej warstwie przyściennej w bezpośrednim kontakcie z zewnętrzną powierzchnią warstwy wierzchniej wzrastającej tkanki w trakcie procesu jej hodowli w bioreaktorze. Efektem rozważań będą wartości sił tarcia powstające na powierzchni wzrastającej tkanki. Najnowsze badania wykazały lepszą skuteczność i sprawność hodowania tkanki w bioreaktorze w przypadku nieustalonych warunków pracy. Dlatego też niniejsza praca rozwiązuje problem przepływu odżywczej cieczy biologicznej w cienkiej warstwie przyściennej w warunkach niestacjonarnych. W trakcie hodowli warstwa wierzchnia tkanki wzrasta. Z tego powodu wysokość warstwy granicznej cieczy przylegającej do powierzchni tkanki zmienia się wraz z upływem czasu. Ten fakt wymaga również przyjęcia warunków nieustalonych przy rozpatrywaniu problemu. Konieczność hodowania specyficznych właściwości tkanek powoduje, że do cieczy odżywczych dodajemy różnorodne dodatki terapeutyczne. Substancje te mają zazwyczaj kształt drobnych cząsteczek o średnicy kilkudziesięciu nanometrów. Takie dodatki posiadają odrębne właściwości sprężyste. Ten fakt powoduje, że ciecz odżywcza uzyskuje właściwości lepkosprężyste. W niniejszej pracy wykorzystano związki konstytutywne Rivlina-Ericksena do opisu zależności pomiędzy naprężeniami a prędkościami deformacji dla cieczy o właściwościach lepkosprężystych. Rozkłady prędkości, a następnie wartości sił tarcia powstające po zastosowaniu cieczy o właściwościach lepkosprężystych różnią się istotnie od prędkości i wartości sił tarcia uzyskanych w przypadku stosowania cieczy o właściwościach newtonowskich, klasycznych w trakcie hodowli tkanki. Dlatego też cel badań podjętych w niniejszej pracy jest zdaniem autora uzasadniony.

Słowa kluczowe

EN

boundary layer; growth of tissue; friction forces

PL

warstwa graniczna; wzrost tkanki; siły tarcia

• Wydawca: Stowarzyszenie Inżynierów i Techników Mechaników Polskich
• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2006
• Tom: nr 4
• Strony: 153--166
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys.

Twórcy

autor

Wierzcholski K.

• Gdynia Maritime University

Bibliografia

• 1. Fung Y.C.: Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues, Springer Verlag, New York, 1993, pp. 220-241.
• 2. http://bvt.gbf.de/zkt/tissue-engineering.html, 2003.
• 3. Mow V.C, Guilak F.: Cell Mechanics and Cellular Engineering, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 1994.
• 4. Maurel W., Wu Y., Thalmann, D.: Biomechanical Modells for Soft Tissue Simulation, Springer Verlag, Berlin, Heidelberg, 1998.
• 5. Truesdell C.: A First Course in Rational Continuum Mechanics, John Hopkins University, Baltimore, Maryland, 1972.
• 6. 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. 7. Wierzcholski K.: Bio and slide bearings: their lubrication by non-Newtonian fluids and application in non conventional systems. Vol. I: Principles of human joint lubrication with non-Newtonian liquids for deformable bone and cartilage in magnetic field, Monograph, Foundation for the Development of Gdynia Maritime University, ISBN 83-87438-44-8, Gdańsk 2005.