Tribology of bone tissue culture in bioreactor

• Autorzy: Wierzcholski, K.

Warianty tytułu

PL

Tribologia hodowli tkanki kostnej w bioreaktorze

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

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.

Słowa kluczowe

PL

siły tarcia; wzrost tkanki; polewanie tkanki kostnej

EN

friction forces; perfusion; grow of tissue

• Czasopismo: Tribologia
• Rocznik: 2003
• Tom: nr 5
• Strony: 369-382
• Opis fizyczny: Bibliogr. 7 poz., rys.

Twórcy

autor

Wierzcholski, K.

• Gdynia Maritime University, Faculty of Marine Eng.

Bibliografia

• 1. Fung Y.C.: Biomechanics: Mechanical Properties of Living Tissues, ed. Springer Verlag New York, 220-241, 1993.
• 2. http://www.boku.ac.at/iam/ifa/mbr.gif
• 3. http://bvt.gbf.de/zkt/tissue-engineering.html
• 4. Mow V.C, Guilak F.: Celi Mechanics and Cellular Engineering, Springer Verlag Berlin, Heidelberg, New York 1994.
• 5. Maurel W., Wu Y.: Thalmann D.: Biomechanical Modells for Soft Tissue Simulation, Springer, Verlag Berlin/Heidelberg 1998.
• 6. Pioletti D.P.: Viscoelastic Properties of Soft Tissues: Application to Knee Ligaments and Tendons, ph.D.Thesis Epfl-Lausanne Univ. 1997.
• 7. Truesdell C: A First Course in Rational Continuum Mechanics, John Hopkins University/Baltimore, Maryland 1972.