CC BY
8
УДК 544.022.8220
Середа О.А., Абрамов А.А., Цыганков П.Ю.
ИЗУЧЕНИЕ ПРОЦЕССОВ ПОЛУЧЕНИЯ МАТРИКСОВ СО СЛОЖНОЙ ГЕОМЕТРИЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АДДИТИВНЫХ ТЕХНОЛОГИЙ
Середа Ольга Александровна - бакалавр 2-ого года обучения факультета биотехнологии и промышленной экологии; [email protected];
Абрамов Андрей Александрович - магистр 1-ого года факультета цифровых технологий и химического инжиниринга РХТУ имени Д.И. Менделеева;
Цыганков Павел Юрьевич - к.т.н., научный сотрудник Международного учебно-научного центра трансфера фармацевтических и биотехнологий РХТУ им. Д. И. Менделеева;
Российский химико-технологический университет имени Д. И. Менделеева, Москва, Россия 125047, Москва, Миусская пл., д. 9
Изучены процессы получения матриксов со сложной геометрией на основе альгината натрия с использованием аддитивных технологий. Изучено влияние концентрации сшивающего агента на характеристики матриксов со сложной геометрией после проведения процесса сверхкритической сушки.
Ключевые слова: аддитивные технологии, 3D-печать, матриксы для культивирования клеток, альгинат натрия.
STUDY OF THE PROCESSES OF OBTAINING MATRICES WITH COMPLEX GEOMETRY USING ADDITIVE TECHNOLOGIES
Sereda Olga Aleksandrovna, Abramov Andrey Aleksandrovich, Tsygankov Pavel Yuryevich.
Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia 125047, Moscow, Miusskaya pl., 9
The use of additive technologies to produce matrices with complex geometry based on sodium alginate is investigated. The influence of crosslinking agent concentration on the properties of matrices with complex geometry after the supercritical drying process is studied.
Keywords: additive manufacturing, 3D printing, matrices for cell culturing, sodium alginate.
Введение
Трехмерная печать, также известная как аддитивные технологии или быстрое прототипирование - это процесс получения изделий со сложной геометрией путем послойного нанесения материала [1]. Данное направление является перспективным в области биотехнологии, так как с использованием аддитивных технологий могут быть получены матриксы со сложной геометрией для культивирования бактериальных клеток и сложные трехмерные структуры содержащие
иммобилизованные клетки микроорганизмов. Такие структуры в дальнейшем могут быть использованы во многих сферах. Например, в работе [3] было показано, что процесс синтеза метаболического продукта бактерий происходит эффективнее при культивировании в мембранном реакторе, в случае если бактериальные клетки были предварительно нанесены на нейлоновый носитель со сложной трехмерной геометрией. Бактерии способны синтезировать карбонат кальция, магнетиты и биополимеры, что в совокупности с технологиями иммобилизации и аддитивными технологиями может быть применено при получении новых типов биоминерализованных материалов, биопластиков и материалов для биомедицинских применений [4]. Также получение трехмерных структур с иммобилизованной бактериальной культурой позволит получить новые топливные элементы [5] и биосенсоры [6] за счет обеспечения механической стабильности клеток в материале [7]. Преимущество
аддитивных технологий заключается в том, что для каждого отдельного применения может быть легко разработана индивидуальная геометрия модели. При использовании одного и того же оборудования могут быть получены изделия различной геометрией и различной внутренней структурой, за счет построения 3Б-объекта в системах
автоматизированного проектирования и за счет использования различных материалов для печати.
Подложки со сложной геометрией для культивирования микроорганизмов могут быть получены с использованием трехмерной печати. В качестве материалов для печати перспективны гидрогелевые материалы на основе хитозана или альгината. Они нетоксичны, биосовместимы, обладают большой адсорбционной способностью [8]. Кроме того, материалы на основе альгината натрия и хитозана способны образовывать сложную трехмерную структуру в растворах сшивающих агентов.
Для лучшей адгезии клеток микроорганизмов к матрице перспективно контролировать ее внутреннюю структуру. Наличие высокопористой структуры позволяет увеличить площадь поверхности материала и тем самым увеличить количество клеток, закрепленных на поверхности матрикса. Кроме того, наличие макропор в сочетании с наличием мезопористой структуры увеличивает скорость притока питательных веществ к клеткам и скорость выхода из матрикса продуктов метаболизма микроорганизмов.
При получении матриксов для культивирования микроорганизмов с использованием альгината натрия возможно контролировать внутреннюю структуру материала за счет варьирования концентрации растворов сшивающего агента и способа сушки. В данной работе изучено влияние концентрации сшивающего агента на характеристики матриксов со сложной геометрией, полученных с использованием аддитивных технологий и процессов сверхкритической сушки. Экспериментальная часть
Процесс ЭБ-печати осуществлялся с использованием разработанного состава, частично сшитого альгината натрия и ЭБ-принтера Р1ут§Веаг Р905, устройство которого было модернизированного для осуществления подачи гелевых материалов через сопло экструдера различного диаметра.
В системах автоматизированного проектирования был разработан ряд моделей матриксов со сложной геометрией. Далее с использованием специализированного программного обеспечения RepetierHost модели были подготовлены для проведения процесса 3D-печати. Была произведена нарезка на слои: толщина слоя 1 мм, установлены скорости перемещения экструдера 5 мм/с и скорость перемещения поршня экструдера 1 мм/с. Подача материала осуществлялась через сопло экструдера с внутренним диаметром 0,41мм. Результат процесса трехмерной печати представлен на рисунке 1.
Рис. 1. Образцы, полученные с использованием процесса 3Б-печати.
После завершения процесса трехмерной печати полученные материалы были погружены в растворы хлорида кальция различных концентраций (1 масс.%, Э масс.%, 5 масс.%). Данный этап необходим для образования устойчивой гидрогелевой структуры. В
результате протекания реакции гелеобразования наблюдается набухание исследуемых материалов, которое может быть обусловлено образованием полунепроницаемой мембраны на поверхности структуры, вызванной химической сшивкой полимера. Возникает разница осмотических давлений на поверхности и внутри структуры, которая является движущей силой осмоса. Предположительно образовавшаяся мембрана имеет высокую проницаемость для воды, размеры молекул которой сравнительно меньше размеров молекул хлорида кальция (Рис.2).
50
£
| 40
К
—
£ 30 о
ев
и
20 10
8 1 масс.!
3 масс.! -5 масс.!
Рис. 2. Набухание гидрогелей со сложной геометрией, полученных с использованием процесса 3Б-печати и выдержанных в растворе сшивающего агента различной концентрации Образцы выдерживались в сшивающем агента в течении 24 часов. После завершения процесса гелеобразования полученные материалы были подвергнуты ступенчатой замене растворителя для подготовки к проведению процесса
сверхкритической сушки. Вода, находящаяся в структуре материала, влияет на конечные характеристики, так как чем больше воды содержится в структуре, тем больше градиент капиллярного давления в порах при ступенчатой замене растворителя. Кроме того, при проведении сушки в среде сверхкритического флюида, содержание воды может ухудшить внутреннюю структуру. Данную зависимость подтверждают дальнейшие
аналитические исследования.
На Рис. Э представлены изображения поверхности аэрогелей полученных с использованием процесса ЗБ-печати и выдержанных в растворах хлорида кальция различной концентрации.
Рис. 3. Изображения поверхности аэрогелей выдержанных в растворах сшивающего агента различной концентрации, полученные при помощи сканирующей электронной микроскопии. ((А) - 1 масс.%; (Б) - 3
масс.%; (В) - 5масс.%)
Из представленных фотографий сканирующей электронной микроскопии можно заметить, что при концентрации сшивающего агента 3% наблюдается изменение поверхности материала и, как следствие, уменьшение пористости материала. Данную зависимость подтверждают изотермы адсорбции-десорбции азота при 77К (Рис. 4).
fi l}'
AlgNiH-CaCU 1% AigNi^caci: з% AlgNa+OCK 5% jl It ll 11
- .'/ A I
О 0,2 0,4 0,6 0,8 1
Относительное давление (Р/РО)
Рис. 4. Изотермы адсорбции-десорбции при 77 К, измеренные для аэрогелей со сложной геометрией на основе альгинаната натрия
При концентрации сшивающего агента равной 3% наблюдается уменьшение адсорбции азота, что свидетельствует об уменьшение общего объема пор. Представленные на рисунке 4 изотермы соответствуют типу IV по классификации ШРАС. Данный тип изотерм характерен для мезопористых тел, для которых наблюдается капиллярная конденсация.
Свойства полученных аэрогелей со сложной геометрией на основе альгината натрия альгинатного аэрогеля сложной геометрией представлены в таблице 1 (удельная поверхность (Б^), удельный объем пор (V 0, удельный объем мезопор (Уш)).
Таблица 1. Свойства полученных аэрогелей со
сложной геометрией на основе альгината натрия
м2/г Vt, см3/г Vm, см3/г
AlgNa+CaCb 1% 422 3,78 0,03
AlgNa+CaCb 3% 325 2,92 0,015
AlgNa+CaCb 5% 382 3,57 0,019
Данные, представленные в таблице, показывают, что увеличение концентрации сшивающего агента приводит к уменьшению удельной площади поверхности и удельного объема пор. Это связано с особенностями структурообразования. Увеличение концентрации сшивающего агента увеличивает скорость протекания реакции гелеобразования, что в свою очередь обуславливает формирование более
прочной и, как следствие, менее пористой структурой.
Заключение
В данной работе проведено получение матриксов со сложной геометрией с использованием процесса ЭБ-печати и сверхкритической сушки. Проведено изучение влияния концентрации сшивающего агента на характеристики аэрогелей со сложной геометрией на основе альгината натрия. Показано, что полученные материалы характеризуются высокой площадью удельной поверхности (325-422 м2/г) и высоким объемом пор (2,92-3,78 см3/г). Таким образом, проведенное исследование показывает, что получение матриксов со сложной геометрией с использованием аддитивных технологий и частично сшитого альгината натрия позволяет контролировать структуру материала на макро- и наноуровне.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования России,
FSSM-2020-0003.
Список литературы
1. Wohlers T. Wohlers Report: Additive manufacturing and 3D printing state of the industry //Fort Collins. Wohlers Associates Inc.. ICED15. - 2013. - Т. 12.
2. Attaran M. The rise of 3-D printing: The advantages of additive manufacturing over traditional manufacturing //Business Horizons. - 2017. - Т. 60. - №. 5. - С. 677-688.
3. dos Santos Belgrano F. et al. Cell immobilization on 3D-printed matrices: A model study on propionic acid fermentation //Bioresource technology. - 2018. - Т. 249.
- С. 777-782.
4. Schaffner M. et al. 3D printing of bacteria into functional complex materials //Science advances. - 2017.
- Т. 3. - №. 12. - С. eaao6804.
5.Logan B. E. et al. Microbial fuel cells: methodology and technology //Environmental science & technology. -2006. - Т. 40. - №. 17. - С. 5181-5192.
6. Su L. et al. Review: Microbial biosensors //Biosens. Bioelectron. - 2011. - Т. 26. - №. 5. - С. 17881799.
7. Cassidy M. B., Lee H., Trevors J. T. Environmental applications of immobilized microbial cells: a review //Journal of Industrial Microbiology and Biotechnology.
- 1996. - Т. 16. - №. 2. - С. 79-101.
8. Guvendiren M., Lu H. D., Burdick J. A. Shear-thinning hydrogels for biomedical applications //Soft matter. - 2012. - Т. 8. - №. 2. - С. 260-272.
