Unsteady-State Mass Transfer in Gels with Microorganisms

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

Hydrogels are promising for use in tissue engineering as matrices for cell incubation and with subsequent use of such biomaterial systems as bioinks suitable for 3D bioprinting. The heat and mass transfer in hydrogel materials based on agarose and gelatin with model microorganisms incubated in the bulk of the gel are studied by the optical methods of spectroscopy and microscopy. The propagation of the fronts of the nutrient medium in pure gelatin hydrogels and mixed hydrogels based on agarose with the addition of gelatin are compared to determine the diffusion properties of the mixed hydrogels that can ensure the delivery of nutrient components to microorganisms. New data are obtained on the degree of heterogeneity in the growth of microorganisms during their bulk incubation under various temperature conditions of incubation, which is necessary to control the properties of bioink in bioprinting. An analytical description of the curve of cell growth in the gel is proposed, and on its basis an expression for determining the cell growth rate is obtained. A numerical model is developed to describe the absorption of nutrients by cells during their growth.

About the authors

D. P. Khramtsov

RTU MIREA—Russian Technological University; RTU MIREA—Russian Technological University

Email: dp@khramtsov.net
107023, Moscow, Russia; 119571, Moscow, Russia

O. A. Khramtsov

Moscow Polytechnic University

Email: dp@khramtsov.net
107023, Moscow, Russia

B. G. Pokusaev

Moscow Polytechnic University; RTU MIREA—Russian Technological University

Email: dp@khramtsov.net
107023, Moscow, Russia; 119571, Moscow, Russia

A. V. Vyazmin

Moscow Polytechnic University; RTU MIREA—Russian Technological University

Email: dp@khramtsov.net
107023, Moscow, Russia; 119571, Moscow, Russia

D. A. Nekrasov

Moscow Polytechnic University; RTU MIREA—Russian Technological University

Author for correspondence.
Email: dp@khramtsov.net
107023, Moscow, Russia; 119571, Moscow, Russia

References

  1. Wasupalli G.K., Verma D. Thermosensitive injectable hydrogel based on chitosan-polygalacturonic acid polyelectrolyte complexes for bone tissue engineering // Carbohydrate Polymers. 2022. V. 294. P. 119769.
  2. Aljohani W., Ullah M.W., Zhang X., Yang G. Bioprinting and its applications in tissue engineering and regenerative medicine // International Journal of Biological Macromolecules. 2018. V. 107. Part A. P. 261.
  3. Wang Z., Kapadia W., Li C., Lin F., Pereira R.F., Granja P.L., Sarmento B., Cui W. Tissue-specific engineering: 3D bioprinting in regenerative medicine // J. Controlled Release. 2021. V. 329. P. 237.
  4. Leberfinger A.N., Ravnic D.J., Dhawan A., Ozbolat I.T. Concise Review: Bioprinting of Stem Cells for Transplantable Tissue Fabrication // Stem Cells Translational Medicine. 2017. V. 6. P. 1940.
  5. Pokusaev B.G., Karlov S.P., Vyazmin A.V., Nekrasov D.A. Laws of the formation and diffusion properties of silica and agarose gels // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2018. V. 52. № 2. P. 200. [Покусаев Б.Г., Карлов С.П., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А. Закономерности формирования и диффузионные свойства силикатных и агарозных гелей // Теоретические основы химической технологии. 2018. Т. 52. № 2. С. 200.]
  6. He Y., Yang F., Zhao H., Gao Q., Xia B., Fu J. Research on the printability of hydrogels in 3D bioprinting // Sci Rep. 2016. № 6. P. 29977
  7. Hong S., Kim J.S., Jung B., Won C., Hwang C. Coaxial bioprinting of cell-laden vascular constructs using a gelatin–tyramine bioink // Biomater. Sci. 2019. № 7. P. 4578.
  8. Chekini M., Krivoshapkina E., Shkodenko L., Koshel E., Shestovskaya M., Dukhinova M., Kheiri S., Khuu N., Kumacheva E. Nanocolloidal Hydrogel with Sensing and Antibacterial Activities Governed by Iron Ion Sequestration // Chemistry of Materials. 2020. № 32 (23). P. 10066.
  9. Han X., He J., Wang Z., Bai Z., Qu P., Song Z., Wang W. Fabrication of silver nanoparticles/gelatin hydrogel system for bone regeneration and fracture treatment // Drug Delivery. 2021. № 28. P. 319.
  10. Guiting L.,Yuan Z., Xianlong Z., Shaoyun G. Advances in hydrogels for stem cell therapy: regulation mechanisms and tissue engineering applications // J. Mater. Chem. B. 2022. № 10. P. 5520.
  11. Bedell M.L. Human gelatin-based composite hydrogels for osteochondral tissue engineering and their adaptation into bioinks for extrusion, inkjet, and digital light processing bioprinting // Biofabrication. 2022. № 14. P. 045012.
  12. 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.]
  13. Меледина Т.В., Давыденко С.Г. Дрожжи Saccharomyces serevisiae. Морфология, химический состав, метаболизм. СПб.: Университет ИТМО, 2015.
  14. Радченко В.Г., Шабров А.В., Зиновьева Е.Н., Ситкин С.И. Заболевания печени и желчевыводящих путей. СПб.: СпецЛит, 2011.
  15. The Yeasts: A Taxonomic Study / Eds. Kurtzman C.P., Fell J.W., Boekhout T. Amsterdam: Elsevier, 2011.
  16. Красников И.В., Привалов В.Е., Сетейкин А.Ю., Фотиади А.Э. Распространение оптического излучения в биологических тканях // Вестник Санкт-Петербургского университета. Медицина. 2013. № 4. С. 202.
  17. Beck J.V., Blackwell B., Haji-Sheikh A. Comparison of some inverse heat conduction methods using experimental data // International J. Heat and Mass Transfer. 1996. V. 39. P. 3649.
  18. Pottmann H., Leopoldseder S., Hofer M. Approximation with active B-spline curves and surfaces // Proc. 10th Pacific Conference on Computer Graphics and Applications, 2002. P. 8.
  19. Iliev A., Kyurkchiev N., Markov S. On the approximation of the step function by some sigmoid functions // Mathematics and Computers in Simulation. 2017. V. 133. P. 223.
  20. Kyurkchiev N., Markov S. Sigmoidal Functions: Some Computationaland Modelling Aspects // Biomath Communications. 2014. № 1/2.
  21. Pokusaev B.G., Karlov S.P., Nekrasov D.A. Agarose gels with bioresorbable additives: The kinetics of the formation, structure, some properties // Chemical Engineering Transactions. 2019. V.74. P. 1171.
  22. Jakab C., Norotte C., Marga F. Tissue engineering by self-assembly and bioprinting of living cells // Biofabrication. 2010. V. 2. № 2. P. 022001.

Supplementary files


Copyright (c) 2023 Д.П. Храмцов, О.А. Сулягина, Б.Г. Покусаев, А.В. Вязьмин, Д.А. Некрасов

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».