Wyniki wyszukiwania - BazTech

1

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

Miszczak A., Wierzcholski K., Chizhik S.A.

Tribologia

|

2006

|

nr 4

99-112

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.

2

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

Wierzcholski K.

Tribologia

|

2006

|

nr 4

153-166

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.

3

Tribology of bone tissue culture in bioreactor

Wierzcholski K.

Tribologia

|

2003

|

nr 5

369-382

EN

This paper describes the tribological parameters during the perfusion process of tissue in the bioreactor. We perfuse cells of tissue by the nutrition liquids and other biologically tolerable media with oxygen carrying fluorocarbons. There are two different kinds of flows in the bioreactor to be expected: The first one is the Newtonian potential flow in some distance from tissue surface and is caused by horizontal perfusion. The second is the viscous non-Newtonian flow in boundary layer direct near the motionless tissue surface. Liquid velocity components and pressure values will be determined. Analytical calculations deliver results for flow parameter as flow components and friction forces to the optimisation of tissue culture in bioreactor and to optimise the growth of cells. Present paper shows analytical formulae for velocity components of nutrient fluids in thin boundary layer near to the tissue surface to obtain necessary friction forces. Here are derived analytical formulae of tribological parameters in bioreactor and the necessary volume flow rate of stream of media in horizontal direction for good protection of the perfusion of tissue surface. The friction forces occurring in the thin layer of nutrition liquids resting on the superficial tissue layer are examined by numerical way and are illustrated in the pictures.

PL

Najnowsze trendy naukowe w Unii Europejskiej i w USA w zakresie biotribologii idą w kierunku hodowli w bioreaktorze gotowych części chrząstki stawowej na bazie tkanek rodzimych pacjenta. Przeszczepów można dokonać wiele razy w życiu pacjenta, natomiast endoprotezę zakłada się co najwyżej dwa razy. Tkanka kostna umiejscowiona w szkieletowym łóżku bioreaktora jest permanentnie zraszana i polewana mediami o właściwościach nienewtonowskich. Są to ciecze odżywcze z odpowiednimi dodatkami lepkosprężystymi wywołującymi pożądany wzrost tkanki. Opływ takiej tkanki w pewnej od niej odległości stanowi przepływ nie lepki, bezwirowy, potencjalny. W bezpośredniej bliskości tkanki w warstewce granicznej, przyściennej o grubości od 70 do 100 mikronów mamy do czynienia z przepływem lepkim. Składowe mikro prędkości tego przepływu nienewtonowskiej cieczy zależą nie tylko od wydatku objętościowego pompy zraszającej łóżeczko bioreaktora, lecz również od sił ssących ciecz poprzez porowatą warstewkę wierzchnią tkanki, a także przez permanentny mikrowzrost tkanki. Pole małych prędkości płynu na powierzchni tkanki, wywołuje siły tarcia o małych wartościach poniżej 1 N, które mają jednak bardzo istotne znaczenie w trakcie hodowli tkanki. Pomiar tak małych sił tarcia w warunkach ciągłego wzrostu tkanki przy obecnych warunkach technicznych jest bardzo utrudniony, kosztowny i niepożądany ze względu na zaburzenia procesu wzrost tkanki. Dlatego prace analityczno-numeryczne mają duże znaczenie poznawcze. Niniejsza praca przedstawia model obliczeniowy sił tarcia w bioreaktorze. Model ten pozwala wyznaczać, symulować siły tarcia i sterować siłami tarcia, a przez to również optymalizować siłami tarcia do pożądanych wartości.