Аппаратурное оформление массообменных процессов в гидрогелях для реализации аддитивных технологий тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Шумова Надежда Вадимовна

• Шумова Надежда Вадимовна
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Шумова Надежда Вадимовна

Условные обозначения

Введение

Глава 1. Аддитивные технологии 3D-биопечати. Подходы, материалы, методы, задачи

1.1. ЭБ-биопечать как технология регенеративной медицины

1.2. Этапы развития аддитивных технологий 3D-биопечати, основные виды биопринтеров

1.2.1. Струйная биопечать

1.2.1.1. Преимущества струйных биопринтеров

1.2.1.2. Недостатки струйных биопринтеров

1.2.2. Лазерная биопечать

1.2.2.1. Преимущества лазерных биопринтеров

1.2.1.2. Недостатки лазерных биопринтеров

1.2.3. Экструзионная биопечать

1.2.3.1. Преимущества экструзионных биопринтеров

1.2.3.2. Недостатки экструзионных биопринтеров

1.3. Принципиальные стадии технологии 3D-биопечати и основные сложности

1.3.1. Этап предподготовки к печати

1.3.2. Этап производства 3D-конструктива

1.3.3. Этап постпринтинга

1.3.4. Нерешенные задачи постпринтинга

1.4. Гидрогели для аддитивных технологий

1.4.1. Гидрогель на основе желатина

1.4.2. Гидрогель на основе агарозы

Глава 2. Исследования процессов гелеобразования, релаксации, стабилизации, синерезиса и адгезии гидрогелей на основе агарозы и желатина, а также смесевых гелей на их основе

2.1. Кинетика образования агарозного геля, а также влияние биорезорбируемой нейтральной добавки - крахмала на данный процесс

2.2. Процессы стабилизации и синерезиса агарозного геля. Влияние биорезорбируемой добавки - крахмала на данные процессы

2.3. Закономерности формирования агарозных и желатиновых гелей, а также смесевых гелей на их основе

2.4. Способы повышения адгезии между слоями природных, чистых и смесевых гидрогелей на основе агарозы и желатина

Глава 3. Исследование процесса диффузии в гидрогелях, способы интенсификации массообменных процессов по всему объему гелевой матрицы

3.1. Сопоставление скоростей массопереноса в гидрогеле при подаче модельного вещества с поверхности и из искусственно созданного микроканала

3.2. Массоперенос в геле через сеть искусственных внутренних микроканалов

3.3. Модель аппарата для объёмного инкубирования клеток

3.4. Математическая модель изменения роста клеток в объеме гидрогеля при подаче кислорода через сеть искусственно созданных микроканалов

Глава 4. Динамика роста и методология контроля физиологического состояния микроорганизмов при их культивировании в объеме гелевого матрикса

4.1. Динамика роста микроорганизмов в объеме гидрогеля при условии диффузионного ограничения массопереносу

4.2. Динамика роста микроорганизмов в объеме гидрогеля при диффузионной подаче питания из искусственно созданного микроканала

4.3. Определение условий применения методологий DBNG, для контроля физиологического состояния микроорганизмов при их культивировании в

объеме гелевых матриц

Заключение

Список литературы

Приложение А

Приложение А

Условные обозначения

ВКМ - внеклеточный матрикс;

DBNG - методология контроля физиологического состояния клеток по

образованию биогенных наночастиц;

ДНК - дезоксирибонуклеиновая кислота;

GelMA - метакрилат желатина;

de novo - создание модели с самого начала «с нуля»;

МРТ - магнитно-резонансная томография;

КТ - компьютерная томография;

САПР - система автоматизированного проектирования;

STL - формат файла, используемый в программном обеспечении

САПР для стереолитографии;

CAM - система автоматизированного моделирования;

in vitro - методика выполнения экспериментов «в пробирке»;

in vivo - методика проведения эксперимента в естественных условиях;

АГА - аргинин-глицин-аспарагиновая кислота;

I - средняя интенсивность пропускания света в диапазоне длин

волн 450-800 нм.

t¿ - температура гелевого образца от 44 до 15 °С.;

рН - водородный показатель кислотности водных растворов;

D - интенсивность поглощения света;

Y - концентрация клеток в гидрогелевом матриксе;

Сп - концентрация питательных веществ;

С0 - концентрация кислорода необходимая клеткам;

ССо2 - концентрация углекислого газа, выделяемого клетками;

СПМ - концентрация конечных продуктов метаболизма клеток;

а - коэффициент массопередачи кислорода из микроканалов в объем геля, м/с;

Syd - удельная поверхность микроканалов в объёме геля, 1/м;

С - концентрация кислорода, поглощенная клетками, кмоль/м3;

Сю - концентрация кислорода, подаваемая в сеть микроканалов, кмоль/м3;

К - коэффициент, характеризующий скорость потребления кислорода клетками определенного штамма, м3/с;

Ую - максимально достижимая концентрация клеток при их инкубировании в гидрогелевом матриксе, ограниченная наличием свободного пространства, 1/м3;

К1 - коэффициент, учитывающий физиологическую характеристику клеток определенного штамма отражающую их способность к делению, м6/с-кмоль;

К2 - коэффициент, учитывающий физиологическую характеристику клеток определенного штамма, связанную с временем цикла их жизни 1/с;

Ag0 - наночастицы серебра восстановленные из соли нитрата серебра;

AgNOз - соль азотнокислого серебра;

ЭЭО - электроэндоосмос;

Ао - агароза с высоким уровнем электроэндоосмоса;

А1 - агароза с низким уровнем электроэндоосмоса.

Введение

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Аппаратурное оформление массообменных процессов в гидрогелях для реализации аддитивных технологий»

Актуальность работы

Аддитивные технологии - биопечати направлены на получение альтернативной замены донорских органов и тканей. Суть технологий заключается в печати необходимого органа или ткани из донорских клеток реципиента или стволовых клеток. В аддитивных технологиях для инкапсуляции клеток широко применяются гидрогели различного состава, они предотвращают механическое повреждение клеток, поддерживают печатаемый конструктив и выполняют роль оболочки, через которую можно подводить питание и кислород. Кроме того, из гидрогелей изготавливают скаффолды - подложку для послойного нанесения инкапсулированных клеточных агломератов. Таким образом гидрогели выполняют роль внеклеточного матрикса (ВКМ) необходимого для обеспечения жизнеспособности клеток во время и после 3D-биопечати. Для возможности использования гидрогелей в качестве инкапсулирующего клетки материала необходимо решение трех важнейших задач. Первая — это создание структурированных композиционных материалов (на основе гелей), обладающих необходимыми реологическими, физико-химическими, биохимическими и массопроводными свойствами. Вторая - создание методики интенсификации массообменных процессов в гелях для обеспечения клеток необходимым количеством питательных веществ и кислорода в условиях роста их количества. Третья - возможность контролировать физиологическое состояние микробиообъектов инкапсулированных в биодеградируемую, релаксационную среду. В данной диссертационной работе представлены результаты исследования основных свойств агарозных, желатиновых а так же смесевых гидрогелей, рассмотрены особенности их формирования, предложены и экспериментально подтверждены способы интенсификации массообменных процессов по всему объему гелевого матрикса содержащего инкапсулированные клетки,

разработана модель аппарата для объемного культивирования позволяющая обеспечивать инкапсулированные в гидрогеле клетки кислородом и отводить выделяемый в процессе их жизнедеятельности углекислый газ, представлена математическая модель, которая позволит контролировать концентрацию клеток в объеме гелевой матрицы при подаче в систему искусственных каналов кислорода, установлены условия при которых возможно использовать методологию наблюдения за образованием биогенных наночастиц (DBNG), для контроля за физиологическим состоянием клеток, культивируемых в объеме геля.

Степень разработанности темы исследования

Технологии 3Э-биопечати включает три принципиальные стадии: предподготовка, печать и постпринтинг. Стадия предподготовки включает в себя выбор материалов, разработку программного обеспечения для компьютерного моделирования органа или ткани, определение количества печатаемых слоев и приготовление биочернил и скаффолдов. Для реализации печати необходима разработка 3Э-биопринтеров с различными механизмами печати. Последняя стадия технологии - постпринтинг, заключается в созревании органа или ткани, на этом этапе клетки должны начать деление и дифференцирование. На сегодняшний день, задачами того или иного этапа технологий 3Э-биопечати активно занимаются множество научных коллективов по всему миру. Известно о многочисленных успехах и научных достижениях в реализации технологии, однако печать полностью функциональных, сложных внутренних органов пока что невозможна.

Прежде всего это связанно с многочисленными сложностями организации последнего этапа технологии. Для того что бы клетки начали деление необходимо обеспечить подачу к ним питания и кислорода, постепенное высвобождение пространства для их роста и отвод конечных продуктов их метаболтизма. Для процесса дифференцирования клеткам необходимы различные маркерные белки, витамины, гармоны и белки-

факторы роста. При реализации 3Э-биопечати объёмных органов или тканей организация этапа постпринтинга становиться чрезвычайно сложной задачей. Синтетические и природные гели в технологиях 3Э-биопринтинга используют как инкапсулирующие клетки материалы, а также для изготовления каркасов (скаффолдов), поддерживающих клеточный конструктив. Для возможности обеспечения необходимых клеткам многофакторных условий, на последней стадии постпринтинга, свойства гелей моделируют различными способами. Наиболее распространённые из литературных данных, это использование комбинированных многокомпонентных гидрогелей, добавление различных биодеградируемых добавок, а также использование химических агентов или физических факторов для полимеризации геля.

Тем не менее, на сегодняшний день, нет единого подхода к моделированию свойств гидрогелей, при объемном культивировании живых клеток в их матриксе. Это позволяет сформулировать цель и задачи работы для исследования.

Целью диссертационной работы является на основе методов и подходов химических технологий определить основные закономерности и предложить методики интенсификации массообменных процессов в гидрогелях с искусственными микроканалами, при использовании чистых и смесевых гелей с инкапсулированными в них живыми микроорганизмами, для реализации аддитивных технологий.

Для достижения указанной цели в работе были поставлены следующие задачи:

- установить температурные и концентрационные закономерности гелеобразования чистых или смесевых гидрогелей на основе агарозы и желатина с использованием биорезорбируемых инертных и гелеобразующих добавок;

- экспериментально определить временную динамику роста числа микроорганизмов (клеток) при их культивировании в объеме геля в

условиях ограниченного массопереноса питательной среды или кислорода через внешнюю границу геля;

- развить методы интенсификации массообменных процессов внутри геля с помощью создания в нем сети искусственных микроканалов;

- разработать модель аппарата для объёмного инкубирования клеток в гидрогелях с непрерывным обеспечением их кислородом и отводом углекислого газа, образовывающегося в процессе их жизнедеятельности;

- представить математическую модель описывающую зависимость между концентрацией клеток, культивируемых в объеме геле и количеством микроканалов обеспечивающих подачу в систему кислорода, для обеспечения жизненного цикла микроорганизмов (клеток);

- на основе предложенной математической модели, установить влияние на обеспечение жизненного цикла микроорганизмов, культивируемых в объеме геля, характеристик искусственных микроканалов, обеспечивающих подачу кислорода.

- определить условия применения методологии наблюдения за образованием биогенных наночастиц серебра для контроля за физиологическим состоянием микроорганизмов (клеток) инкапсулированных в объеме гелей.

В качестве источников информации для написания диссертации были задействованы методы и подходы интенсификации массообменных процессов, используемые в химических технологиях, книжные и периодические издания, материалы научных и научно-практических конференций, результаты анализов произведенных экспериментов.

Научная новизна

- установлены новые температурные и концентрационные зависимости спектральных оптических свойств чистых и смесевых гидрогелей различного состава на основе агарозы и желатина, характеризующие процесс их гелеобразования;

- экспериментально определена глубина зоны прорастания микроорганизмов при их культивировании в объеме геля, в условиях ограниченного массопереноса через внешнюю границу;

- предложены новые, оригинальные методы формирования в гидрогелях искусственных микроканалов сложной формы и впервые экспериментально показана возможность их использования для реализации конвективно-диффузионного подвода питательных веществ и кислорода к клеткам, инкапсулированным в объеме геля;

- предложена оригинальная модель лабораторного аппарата для объёмного инкубирования клеток в гидрогелях с эффективным подводом кислорода и отводом выделяемого ими углекислого газа.

- определены условия использования методологий наблюдения за образованием биогенных наночастиц серебра, из соли нитрата серебра, для определения физиологического состояния клеток, культивируемых в объеме геля.

Практическая значимость

- результаты проведенных исследований могут быть использованы для выбора технологических режимов работы 3D-биопринтеров и материалов для изготовления скаффолдов, при реализации аддитивной технологии печати биообъектов;

- предложенные способы интенсификации массообменных процессов при создании сети микроканалов могут быть использованы в инженерных расчетах массопереноса в биореакторах на основе гелевых матриц;

- модель аппаратурного оформления реактора для объёмного инкубирования клеток в гидрогелях с непрерывным обеспечением их кислородом и отводом углекислого газа, может быть использована при организации стадий постпечатного этапа аддитивных технологий 3Э-биопринтинга;

- математическая модель может быть использована при расчетах технологических параметров процесса объёмного культивирования микроорганизмов в гидрогелиевых матрицах снабжённых микроканалами;

- предложенный подход, основанный на измерениях динамики образования биогенных наночастиц при культивировании клеток в объеме геля, может быть применен для бесконтактного контроля физиологического состояния мироорганизмов;

- полученные экспериментальные закономерности и предложенная математическая модель могут быть использованы для дальнейшего развития теоретических основ процессов адсорбции, фильтрования с объемным поглощением осадка, абсорбции с перемешиванием, например, ферментаторов.

- результаты проведенных исследований были использованы при разработке смесевых биорезорбируемых гидрогелей, предназначенных к применению в качестве модельных материалов для разработанного Московским политехническим университетом опытного образца биопринтера (Приложение А.1), а так же в ООО «Протеиновые Кормовые БиоТехнологии Исследования» при проведении исследований с целью разработки новых высокоэффективных методов объемного культивирования дрожжевых культур и контроля их физиологического состояния (Приложение А.2).

Методология и методы исследования

При выполнении экспериментальной части работы по определению фундаментальных закономерностей массопереноса, протекающего в нестационарных и релаксирующих средах, каковыми являются гидрогели, использованы различные модификации метода спектрального анализа с применением оборудования ОсеапОр^ и Shimadzu. При формулировке математической модели использован, хорошо известный в химической технологии, метод обобщенных балансовых соотношений.

Степень достоверности и апробация результатов исследования

Достоверность теоретических и практических результатов работы подтверждается корректностью постановки цели и задач, а также принятых методов проведения экспериментов, соответствующих современным подходам к исследованию релаксационных сред, связанных с особенностями их свойств. Достоверность данных в практической сфере и апробация результатов подтверждается Актами о внедрении результатов в ФГАОУВО «Московский политехнический университет» (Приложение А.1) и ООО «Протеиновые Кормовые БиоТехнологии Исследования» (Приложение А.2).

Результаты работы были доложены на следующих международных конференциях: ICheaP14 - 14th International conference of chemical and process engineering. 2019, Болонья, Италия; 16th Workshop on transport phenomena in two-phase flows, 2020, София, Болгария; CHISA2021 -International congress of chemical and process engineering, 2021, Прага, Чехия; NINE-2021 - International inference on nanotechnology based innovative applications for the environment, 2021, Солерно, Италия. А также на III Всероссийской научно-практическая конференции «Современные тенденции развития химической технологии, промышленной экологии и экологической безопасности», 2022, Санкт-Петербург; Международной научно-практической конференции «Доктрины, школы и концепции устойчивого развития науки в современных условиях», 2023, Пермь; Х Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладнык научные исследования: инноватика в современном мире», 2023, Уфа.

Личный вклад автора

В диссертации представлены результаты исследований, выполненных самим автором или при его непосредственном участии. Личный вклад автора состоит в постановке задач исследования, разработке экспериментальных и теоретических методов их решения, создании

оригинальной лабораторно-экспериментальной установки. В обработке, анализе, обобщении полученных результатов и формулировке выводов.

Положения выносимые на защиту

- методы и результаты определения температурных интервалов фазового перехода из золя в гель, по изменению спектральных свойств гелеобразующего раствора, с учетом влияния концентрации и состава гелеобразователя на основе агарозы, в том числе с нейтральными и гелеобразующими добавками;

- основные закономерности, описывающие динамику роста клеток в объёме гидрогелевого матрикса при подаче питания или кислорода через границу геля или из внутреннего искусственного проточного микроканала;

- способ интенсификации массообменных процессов по всему объему гелевого матрикса, за счет создания искусственной сети разветвленных внутренних микроканалов для подачи питания и кислорода к микроорганизмам при их объемном культивировании, а также методики практического формирования таких каналов;

- конструкция и принцип работы лабораторного реактора для объемного культивирования микроорганизмов в гидрогелевой матрице с эффективным подводом кислорода и удалением углекислого газа, образующегося в процессе их жизнедеятельности;

- математическая модель, описывающая динамику роста популяции микроорганизмов, культивируемых в объеме гидрогеля, в условиях подачи кислорода к ним через сеть внутренних искусственных разветвлённых микроканалов;

- особенности и результаты применения методологии DBNG для определения физиологического состояния микроорганизмов по количеству образуемых ими биогенных наночастиц, при их культивировании в объеме гидрогелевой матрицы.

Работа выполнена на кафедре «Процессов и аппаратов химических технологий имени Гельперина Н.И.» МИРЭА - Российский технологический университет.

Автор выражает особую благодарность за оказание научно-методической помощи на всех этапах работы научному руководителю доктору физико-математических наук, доценту Вязьмину Андрею Валентиновичу.

Глава 1. Аддитивные технологии 3Б-биопечати. Подходы, материалы, методы, задачи.

1.1. ЭБ-биопечать как технология регенеративной медицины.

Проблема обеспечения донорскими органами, пациентов по всему миру, одна из самых острых в медицине, поскольку связанна с их дефицитом, который дополнительно усугубляется необходимостью решения сложных юридических и этических вопросов. По данным Всемирной организации здравоохранения не более 10 % пациентов обеспеченны необходимыми для трансплантации донорскими органами [1]. Операции по пересадке донорских органов и тканей проводятся в 91 стране мира. В год проводится 66 тысяч операций по пересадке почек, 21 тысячу - по пересадке печени и 6 тысяч - сердечно-сосудистой системы. Однако около четверти пациентов умирают, не дождавшись донорских органов. Только в США своевременная трансплантация помогла бы сохранить почти 900 тысяч пациентов. Около 100 тысяч пациентов ожидают очереди на пересадку органов. Если операция окажется удачной, то человек должен будет постоянно применять иммунодепрессанты. В ином случае организм реципиентов зачастую принимает донорские органы за инородные тела и может отторгнуть их.

Один из путей решения этой проблемы - найти альтернативные способы получения донорских органов с помощью регенеративной медицины. Так в 1993 году предложен метод тканевой инженерии для

замены поврежденных тканей [2], основанный на создании конструкций особым образом расположенных клеток различных типов с последующим выращиванием из них органов и тканей. Технически это может осуществляться с помощью оборудования аналогичного используемому в 3D-печати, поэтому это направление регенеративной медицины получило название 3D-биопринтинг.

Широкое распространение на практике 3D-печати, основанной на методах послойных, аддитивных технологий, принято относить к периоду четвертой промышленной революции, которая подразумевает массовое внедрение киберфизических систем в производство и обслуживание человеческих потребностей [3].

На сегодняшний день технологии аддитивной 3D-печати позволяют проще и быстрее создавать различные приспособления и технические устройства [4], для нужд медицины производить сложные протезы [5], и даже печатать живые биообъекты [6]. Перспектива в будущем, из стволовых клеток или клеток реципиента, с помощью технологии 3D-печати создавать сложноустроенные человеческие органы, уже не кажется невозможной и на сегодняшний день уже реализованы первые успешные проекты по их созданию. Даже частичный успех, при реализации таких проектов, будет существенным для дальнейшего развитии регенеративной медицины [7].

Сегодня 3D-биопринтинг - технология создания объёмных моделей органов или тканей, основанная на аддитивном методе с использованием в качестве биочернил материалов, содержащих живые клетки, которые в процессе формирования органа сохраняют свои функции и жизнеспособность. Биопечать позволяет отказаться от требующей особой тщательности процедуры посева отдельных клеток, обеспечивает возможность распределения различных типов клеток в желаемых местах с высокой начальной плотностью, дает возможность формирования тонких структур, сравнимых с тканью [8]. В качестве биочернил, в которые

инкапсулированы клетки, широко применяют гидрогели различного химического состава [9]. Кроме того, в технологии BD-биопринтинга из гидрогелей изготавливают скаффолды - подложку для нанесения биочернил. Таким образом, используя аддитивную технологию 3D-биопринтинга, после нанесения на скаффолд в определенном порядке биочернил, получается печатная заготовка органа или ткани. Схематически процесс нанесения инкапсулированных клеток на гидрогелиевую подложку (скаффолд) представлен на рисунке 1.1.

Biomaterial ink

Additive manufacturing of biomaterials as inks

Seeding of the scaffolds with cells

Рисунок 1.1. Процесс печати с использованием гидрогеля для инкапсуляции клеток и изготовления подложки (скаффолдов) [10].

Однако для того, чтобы окончательно получился требуемый биообъект, клетки должны пролиферироваться и дифференцироваться. Отсюда непосредственно следует задача создания условий

жизнеспособности клеток [11]. Некоторые основные факторы, влияющие на жизнеспособность клеток в технологии BD-биопринтинга следующие: обеспечение клеток необходимым количеством питания и кислорода, постепенное освобождение пространства для их роста за счет биорезорбирования геля и отвод продуктов метаболизма. Таким образом, можно сказать, что в отличии от технологий обычной BD-печати, аддитивная технология 3D-биопринтинга требует подбора материалов и выполнения многофакторных условий, для обеспечения жизнеспособности клеток до, во время и после печати.

1.2. Этапы развития аддитивных технологий ЭБ-биопечати, основные виды биопринтеров.

В 1986 году был осуществлен прорыв в технологии трехмерной печати, когда американский ученый Чарльз Халл изобрел стереолитографию. Халл получил патент на «аппарат для создания трехмерных объектов с помощью стереолитографии» [12]. Впервые 3D-печать использовали для медицинских целей в 1999 году. Ученые Университета Вейк Форест (штат Каролина, США) создали синтетический каркас мочевого пузыря человека. Каракас мочевого пузыря был покрыт донорскими клетками пациентов в результате чего удалось вырастить функционирующие органы.

Достижения полученные в 1999 года подготовили почву для следующих открытий, к примеру, в 2002 году ученые Массачусетской биотехнологической компании «Advanced Cell Technology» напечатали миниатюрную функциональную почку, способную фильтровать кровь и вырабатывать мочу в животной модели. В 2003 году Томас Боланд из Университета Клемсона (США, Южная Каролина) получил патент на 3D-печать для изготовления клеточной конструкции с использованием струйной печати. Главные технологии, которые используются в биопринтинге, это струйная [7], лазерная [13] и экструзионная печать [14].

1.2.1. Струйная биопечать.

Биочернила подаются покапельно из сопла биопринтера, и наносятся на биобумагу. Необходимую форму капель геля, содержащих живые клетки, формирует механическая головка наконечника. Струйный принтер в качестве движущей силы для нанесения использует тепловой [15] или пьезоэлектрический привод [16]. При реализации струйной биопечати, подложку для нанесения клеточного материала изготавливают из биодеградируемых гидрогелей с температурной полимеризацией из жидкого состояния в гелеобразное в диапазоне от 15 оС до 21 оС. Струйная биопечать реализуется при нанесении на подложку очень небольших объемов (1-100 пиколитров) биочернил низкой вязкости [17]. Принтер, как правило, может работать в двух режимах: струйная биопечать по требованию и непрерывная струйная биопечать [18]. Схематически принцип струйной печати приведен на рисунке 1.2.

thermal piezoelectric

Рисунок 1.2. Схема струйной печати с термическим и пьезоэлектрическим приводом [19].

1.2.1.1. Преимущества струйных биопринтеров.

Преимущества струйного биопринтинга заключаются в невысокой стоимости принтеров [20, 21], в относительно высоком пространственном разрешении (50-300 мкм) [20, 22] и высокой скорости печати (до 10000 капель/с) [19, 20]. Кроме того, модификации имеющихся в продаже струйных 3D-биопринтеров позволяют осуществлять одновременную печать несколькими типами клеток из нескольких форсунок.

1.2.1.2. Недостатки струйных биопринтеров.

Для струйной биопечати существует ряд ограничений связных с выбором жидкофазных биочернил, поскольку для данной технологии диапазон вязкости печатаемого материала лежит в пределе (3,5-12 МПа-с) [20, 23]. Кроме того, в струйном биопринтере с тепловым приводом сопла, приложенное тепло достигает 300 0С что приводит к испарению, и образованию временных пор в клеточной мембране [15, 24]. В биопринтерах с пьезоэлектрическим приводом, высокочастотные пьезоэлектрические импульсы могут привести к лизису клеток, а чрезмерный тепловой стресс может повлиять на их функциональность и жизнеспособность [23].

Подводя итог, можно сказать, что технология струйной биопечати сталкивается с проблемой печати больших, сложноустроенных и клинически значимых органов и тканей, поскольку эта технология генерирует только непрерывные мелкие капли [19, 25].

1.2.2. Лазерная биопечать.

При реализации лазерной биопечати форсунки не используются, поскольку перенос тканевых сфероидов или одиночных клеток на подложку, выполненную из полимеров различной вязкости, осуществляется непосредственно при индуцировании лазера, что

позволяет обеспечить высокую точностью пространственного нанесения клеточного материала [26].

В 1999 году, впервые лазерная биопечать была использована для размещения биологических материалов и отдельных клеток в кластеры при изготовлении BD-конструкций [27].

После этого эта технология широко использовалась для депонирования биологических материалов, включая ДНК [28], пептиды [29] и живые клетки [30]. Лазерный биопринтер состоит из трех основных компонентов: слайд-донор, лазерный источник, который производит импульсный лазерный луч и поглощающий лазер слой [30]. Схематически принцип лазерной печати приведен на рисунке 1.3.

Energy absorbing layer

Laser pulse

_ Donor slide

T /

TT

Рисунок 1.3. Механизм печати прямого переноса, индуцированного лазером [19].

Один слой биочернил наносится на нижнюю часть предметного стекла донора. В процессе биопечати на донорский слой подается лазерный импульс, что приводит к образованию пузырька высокого давления. Пузырь расширяется, и выталкивает капли биочернил на подложку [23].

1.2.2.1. Преимущества лазерных биопринтеров.

Лазерные биопринтеры имеют ряд преимуществ. Во-первых, между биочернилами и дозатором отсутствует контакт, что снижает вероятность загрязнения. Во-вторых, можно использовать биочернила с высокой вязкостью и плотностью клеток (108 клеток/мл) [20]. Использование лазерного принтера позволяет значительно увеличить жизнеспособность клеток во время печати, поскольку нет непосредственного механического воздействия на них [31]. В-третьих, эта технология позволяет генерировать капли с высоким разрешением (20-80 мкм) [20, 23, 32].

1.2.1.2. Недостатки лазерных биопринтеров.

Основным лимитирующим фактором данного способа считают возможность попадания частиц металлов в напечатанный конструктив, вследствие выпоризации металлической абсорбирующей подложки. Так же к недостаткам данного метода относят высокую стоимость лазерных источников и сложность управления лазерными импульсами [23].

1.2.3. Экструзионная биопечать.

Процесс 3D-печати биологических структур активно развивался и охватил производство тканей и структур не сложных органов, появились новые методы печати, например экструзионная (последовательное нанесение слоев материала) [14]. Метод, основанный на давлении или экструзии, используется уже довольно давно для различных процессов, таких как формообразование металлов и изделий из пластмасс [33]. В

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Шумова Надежда Вадимовна, 2023 год

Список литературы

1. www.transplant-observatory.org (дата обращения: 10.02.2023).

2. Langer, R. Tissue engineering / R. Lenger, J.P. Vacanti // Science. - 1993. -V. 260. - P. 920-926.

3. Schwab, K. Shaping the Fourth Industrial Revolution / K. Schwab, N. Davis. - World Economic Forum. - 2018. -386 p.

4. Badiru A.B. Additive Manufacturing Handbook: Product Development for the Defense Industry/ A.B. Badiru, V.V. Valencia, D. Liu. // 1st Edition Boca Raton: CRC, 2017.

5. Rodriguez-Salvador, M. Additive manufacturing in healthcare/ M. Rodriguez-Salvador, L.A. Garcia-Garcia // Foresight STI Governance. - 2018. - V. 12. - № 1. - 47 р.

6. Wang, M.Y. The trend towards in vivo bioprinting / M.Y. Wang, J.K. He, Y.X. Liu, M. Li, D. Li, Z. Jin. // International Journal of Bioprinting. - 2015. -V. 1. - 15 р.

7. Klebe, R.J. Cytoscribing: a method for micropositioning cells and the construction of two- and three-dimensional synthetic tissues // Experimental Cell Research. - 1988. - V. 179. - P. 362-373.

8. Derakhshanfar, S. 3D bioprinting for biomedical devices and tissue engineering: A review of recent trends and advances / S. Derakhshanfar, R. Mbeleck, K. Xu, X. Zhang, W. Zhong, M. Xing // Bioactive Materials. - 2018. -V. 3. - P. 144-156.

9. Merceron, T.K. Hydrogels for 3D bioprinting applications / T.K. Merceron, S.V. Murphy // Essentials of 3D Biofabrication and Translation. - 2015. - P. 249-270.

10. Groll, J. A definition of bioinks and their distinction from biomaterial inks / J. Groll, J. A. Burdick, D-W. Cho, B. Derby, M. Gelinsky, S. C. Heilshorn, T.

Jüngst, J. Malda, V. A. Mironov, K. Nakayama, A. Ovsianikov, W. Sun,15, S. Takeuchi, J. J. Yoo, T. B. F. Woodfield // Biofabrication. - 2018, — V. 1. - 4 p.

11. Holzl, K. Bioink properties before, during and after 3D bioprinting / K. Holzl, S. Lin, L. Tytgat, S.V. Vlierberghe, L. Gu, A. Ovsianikov // Biofabrication. - 2016. - V. 8. - P. 1-19.

12. Hull, CW. Apparatus for production of three-dimensional objects by stereolithography. Google Patents; 1986.

13. Barron, J.A. Biological laser printing: a novel technique for creating heterogeneous 3-dimensional cell patterns / J.A. Barron, P. Wu, H.D. Ladouceur, B.R. Ringeisen // Biomedical Microdevices. - 2004. - № 6. - P. 139-147.

14. Ozbolat, I. T. Current advances and future perspectives in extrusion-based bioprinting / I. T. Ozbolat, M. Hospodiuk // Biomaterials. - 2016. - V. 76. - P. 321-343.

15. Xu, T. Inkjet printing of viable mammalian cells / T. Xu, J. Jin, C. Gregory, J. Hickman, T. Boland // Biomaterials. - 2005. -V. 26. - P. 93-99.

16. Saunders, R.E. Delivery of human fibroblast cells by piezoelectric drop-on-demand inkjet printing / R. E. Saunders, J. E. Gough, B. Derby // Biomaterials. -2008. - V. 29. - P. 193-203.

17. Calvert, P. Printing Cells // Science. - 2007. - V. 318. - P. 208-9.

18. Jungst, T. Strategies and molecular design criteria for 3D printable hydrogels / W. Smolan, K. Schacht, T. Scheibel, J. Groll // Chemical Reviews. - 2016. -V. 116. - P. 1496-1539.

19. Malda, J. 25th anniversary article: engineering hydrogels for biofabrication / J. Malda, J. Visser, F. P. Melchels, T. Jungst, W. E. Hennink, W. J. A. Dhert, J. Groll, D. W. Hutmacher // Advanced Materials. - 2013. - V. 25. - P. 5011-28.

20. Murphy, S.V. 3D bioprinting of tissues and organs / S. V. Murphy, A. Atala // Nature Biotechnology. - 2014. - V. 32. - P. 773-85.

21. Campbell, P. G. Engineered spatial patterns of FGF-2 immobilized on fibrin direct cell organization / P. G. Campbell, E. D. Miller, G. W. Fisher, L. M. Walker, L. E. Weiss // Biomaterials. - 2005. - V. 26. - P. 6762-70.

22. Tasoglu, S. Bioprinting for stem cell research / S. Tasoglu, U. Demirci // Trends in biotechnology. - 2013. - V. 31. - P. 10-9.

23. Pedde, R. D. Emerging biofabrication strategies for engineering complex tissue constructs / R. D. Pedde, B. Mirani, A. Navaei, T. Styan, S. Wong, M. Mehrali, A. Thakur, N. K. Mohtaram, A. Bayati, A. Dolatshahi-Pirouz, M. Nikkhah, S. M. Willerth, M. Akbari // Advanced Materials. -2017. - V. 29. - № 19.

24. Cui, X. Cell damage evaluation of thermal inkjet printed Chinese hamster ovary cells // X. Cui, D. Dean, Z. M. Ruggeri, T. Boland // Biotechnology and Bioengineering. - 2010. - V. 106. - P. 963-9.

25. Saunders, R. E. Inkjet printing biomaterials for tissue engineering: bioprinting / R. E. Saunders, B. Derby // International Materials Reviews. -2014. - V. 59. - № 8. - P. 430-448.

26. Mezel, C. Bioprinting by laser-induced forward transfer for tissue engineering applications: jet formation modeling / C. Mezel, A. Souquet, L. Hallo, F. Guillemot // Biofabrication. - 2010. - V. 2. -№ 1. - P. 23-35.

27. Odde, D. J. Laser-guided direct writing of living cells / D. J. Odde, M. J. Renn // Biotechnology and Bioengineering. - 2000. - V. 67. - P. 312-318.

28. Colina, M. DNA deposition through laser induced forward transfer / M. Colina, P. Serra, J. M. Fernandez-Pradas, L. Sevilla, J. L. Morenza // Biosensors and Bioelectronics. - 2005. - V. 20. - P. 1638-1642.

29. Dinca, V. Directed three-dimensional patterning of self-assembled peptide fibrils / V. Dinca, E. Kasotakis, J. Catherine, A. Mourka, A. Ranella, A. Ovsianikov, B. N. Chichkov, M. Farsari, A. Mitraki, C. Fotakis // Nano Letters. - 2008. - V. 8 - P. 538-543.

30. Ringeisen, B. Jet-based methods to print living cells / B. Ringeisen, C. Otho, A. J. Barron, D. Young, J. B. Spargo // Biotechnol Journal. - 200. - V. 1. - P. 930-948.

31. Hopp, B. Survival and proliferative ability of various living cell types after laser-induced forward transfer / B. Hopp, T. Smausz, N. Kresz, N. Barna, Z. Bor, L. Kolozsvari, D. B. Chrisey, A. Szabo, A. Nogradi. Tissue Engineering. -2005. - V. 11. - P. 1817-1823.

32. Knowlton, S. Bioprinting for cancer research / S. Knowlton, S. Onal, C. H. Yu, J. J. Zhao, S. Tasoglu // Trends in Biotechnology. - 2015. - V. 33. -P. 504513.

33. Abeykoon, C. A review and evaluation of melt temperature sensors for polymer extrusion / C. Abeykoon, P. J. Martin, A. L. Kelly, E. C. Brown // Sensors Actuators A Physical. - 2012. - V. 182. - P. 16-27.

34. Lipson, H. Fabricated: the New World of 3D Printing / H. Lipson, M. Kurman. - Wiley, 2013 - 320 p.

35. Zein, I. Fused deposition modeling of novel scaffold architectures for tissue engineering applications / I. Zein, D. W. Hutmacher, K. C. Tan, S. H. Teoh // Biomaterials. - 2002. - V. 23. - P. 1169-1185.

36. Kolesky, D. Bioprinting: 3D bioprinting of vascularized, heterogeneous cell-laden tissue constructs / D. Kolesky, R. Truby, A. S. Gladman, T. Busbee, K. Homan, J. Lewis // Advanced Materials. - 2014. - V. 26. - № 19. - 2966 p.

37. Marga, F. Toward engineering functional organ modules by additive manufacturing / F. Marga, K. Jakab, C. Khatiwala, B. Shepherd, S. Dorfman, B. Hubbard // Biofabrication. - 2012. - V. 4. - 22001 p.

38. Yu, Y. A hybrid bioprinting approach for scale-up tissue fabrication / Y. Yu, Y. Zhang, I. T. Ozbolat // Journal of Manufacturing Science and Engineering. - 2014. - V. 136. - P. 061013-9.

39. Ventola, C. L. Medical applications for 3D printing: current and projected uses // Pharmacy and Therapeutics. - 2014. - V. 39. - P. 704-711.

40. Deng, Y. Functional 3D Tissue Engineering Scaffolds / Y. Deng, J. Kuiper. - Elsevier Science, -2017. - 482 p.

41. Zhong, G. Characterization approach on the extrusion process of bioceramics for the 3D printing of bone tissue engineering scaffolds / G. Zhong, M. Vaezi, P. Liu, L. Pan, S. Yang // Ceramics International. - 2017. - V. 43. -P. 13860-8.

42. Atabak Ghanizadeh, T. Threedimensional bioprinting of complex cell laden alginate hydrogel structures / T. Atabak Ghanizadeh, A. H. Miguel, R. L. Nicholas, S. Wenmiao // Biofabrication. - 2015. - V. 7. - 045012 p.

43. Kolesky, D. B. Three-dimensional bioprinting of thick vascularized tissues / D. B. Kolesky, K. A. Homan, M. A. Skylar-Scott, J. A. Lewis // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2016. - V. 113. - P. 3179-3184.

44. Anja, L. Additive manufacturing of collagen scaffolds by threedimensional plotting of highly viscous dispersions / L. Anja, M. Michael, B. Sophie, P. Birgit, B. Hagen, S. Michaela, W. Claudia, S. Frank, G. Michael // Biofabrication. - 2016. - V. 8 - 015015 p.

45. Colosi, C. Microfluidic bioprinting of heterogeneous 3D tissue constructs using low viscosity bioink / C. Colosi, S. R. Shin, V. Manoharan, S. Massa, M. Costantini, A. Barbetta, M. R. Dokmeci, M. Dentini, A. Khademhosseini // Advanced materials. - 2016. - V. 28. - P. 677-84.

46. Luiz, E. B. Direct-write bioprinting of cell-laden methacrylated gelatin hydrogels / E. B. Luiz, C. C. Juliana, M. Vijayan, L. C. Ana, S. B. Nupura, A. A. Wesleyan, Z. Pinar, E. V. Nihal, M. G. Amir // Biofabrication. - 2014. - V. 6. -024105 p.

47. Wu, Z. Bioprinting three-dimensional cell- laden tissue constructs with controllable degradation / Z. Wu, X. Su, Y. Xu, B. Kong, W. Sun, S. Mi // Scientific reports. - 2016. - V. 6. - 24474 p.

48. Ng, W. L. Polyelectrolyte gelatin-chitosan hydrogel optimized for 3D bioprinting in skin tissue engineering / W. L. Ng, W. Y. Yeong, M. W. Naing // International Journal of Bioprinting. - 2016. - V. 2. - P. 53-62.

49. Blaeser, A. Controlling Shear Stress in 3D Bioprinting is a Key Factor to Balance Printing Resolution and Stem Cell Integrity / A. Blaeser, D. F. D. Campos, U. Puster, W. Richtering, M. M. Stevens, H. Fischer // Advanced Healthcare Materials. - 2016. - V. 5. - P. 326-33.

50. Pakhomova, C. Software for Bioprinting / C. Pakhomova, D. Popov, E. Maltsev, I. Akhatov, A. Pasko // International Journal of Bioprinting. - 2020. -V. 6. - P. 41-61.

51. Abbasov, I. B. Three-Dimensional Bioprinting of Organs: Modern Trends // Critical Reviews in Biomedical Engineering. - 2022. - V. 50. - P. 19-34.

52. Duan, B. 3D Bioprinting of heterogeneous aortic valve conduits with alginate/gelatin hydrogels / B. Duan, L. A. Hockaday, K. H. Kang, J. T. Butcher // Journal of Biomedical Materials Research Part A. - 2013. - V. 101A, - № 5. -P. 1255-1264.

53. Хесуани, Ю. Дж. Введение в 3D-биопринтинг: история формирования направления, принципы и этапы биопечати / Ю. Дж. Хесуани, Н. С. Сергеева, В.А. Миронов, А.Г. Мустафин, А.Д. Каприн. // Гены & Клетки. -2018. - Т. 13, -№3. - C. 38-45.

54. Rengier, F. 3D printing based on imaging data: review of medical applications / F. Rengier, A. Mehndiratta, H. Von Tengg-Kobligk, C. M. Zechmann, R. Unterhinninghofen, H. - U. Kauczor, F. L. Giesel // International Journal of Computer Assisted Radiology and Surgery. -2010. - V. 5. - P. 33541.

55. Chen, X. Development of a computer-aided design software for dental splint in orthognathic surgery / X. Chen, X. Li, L. Xu, Y. Sun, C. Politis, J. Egger // Scientific Reports. - 2016. - V. 14. - № 6. - P. 1-10.

56. Hesuani, Y.D. Design and Implementation of Novel Multifunctional 3D Bioprinter / Y. D. Hesuani, F. D. A. S. Pereira, V. Parfenov, E. Koudan, A. Mitryashkin, N. Replyanski, V. Kasyanov, A. Knyazeva, E. Bulanova, V. Mironov // 3D Printing and Additive Manufacturing. - 2016. - Vol. 3, № 1. - P. 64-68.

57. Mironov, V. Organ printing: from bioprinter to organ biofabrication line / V. Mironov, V. Kasyanov, R. R. Markwald // Current Opinion in Biotechnology. -2011. - Vol. 22, № 5. - P. 667-673. - ISSN 09581669.

58. Chia, H.N. Recent advances in 3D printing of biomaterials / H. N. Chia, B. M. Wu // Journal of Biological Engineering. - 2015. - Vol. 9. - P. 4.

59. Turunen, S. 3D bioprinting of the kidney—hype or hope? / S. Turunen, S. Kaisto, I. Skovorodkin, V. Mironov, T. Kalpio, S. Vainio, A. Rak-Raszewska // Cell and Tissue Engineering.- 2018. - V. 2. - № 3. - P. 119-162.

60. Shafiee, A. Printing Technologies for Medical Applications / A. Shafiee, A. Atala // Trends in Molecular Medicine. - 2016. - V. 22. - № 3. - P. 254-265.

61. Lee, K.Y. Hydrogels for Tissue Engineering / K.Y. Lee, D. J. Mooney // Chemical Reviews. - 2001. - V. 101. - P. 1869-1880.

62. Seliktar, D. Designing Cell-Compatible Hydrogels for Biomedical Applications // Science. - 2012. - V. 336. - P. 1124-1128.

63. Van Vlierberghe, S. Biopolymer-Based Hydrogels as Scaffolds for Tissue Engineering Applications / S. Van Vlierberghe, P. Dubruel, E. Schacht //A Review. Biomacromolecules. - 2011. - V. 12. - P. 1387- 1408.

64. Albanna, M. Bioprinting of Autologous Skin Cells Accelerates Wound Healing of Extensive Excisional Full-Thickness Wounds / M. Albanna, K. W. Binder, S. V. Murphy, J. Kim, S. A. Qasem, W. Zhao, J. Tan, I. B. El-Amin, D. D. Dice, J. Marco, J. Green, T. Xu, A. Skardal, J. H. Holmes, J. D. Jackson, A. Atala, J. J. Yooet // Scientific Reports. - 2019. - V. 9. - 1856 p.

65. Jia, J. Engineering alginate as bioink for bioprinting / J. Jia, D. J. Richards, S. Pollard, Y. Tan, J. Rodriguez, R. P. Visconti, T. C. Trusk, M. J. Yost, H. Yao, R. R. Markwald, Y. Mei // Acta Biomaterialia. - 2014. - V. 10. - P.4323-4331.

66. Zehnder, T. Evaluation of an alginate- gelatine crosslinked hydrogel for bioplotting // T. Zehnder, B. Sarker, A. Boccaccini, R. Detsch //Biofabrication. -2015. - V. 7. - 025001 p.

67. Leppiniemi, J. 3D-printable bioactivated nanocellulose-alginate hydrogels / J. Leppiniemi, P. Lahtinen, A. Paajanen, R. Mahlberg, S. Metsa-Kortelainen, T.

Pinornaa, H. Pajari, I. Vikholm-Lundin, P. Pursula, V. P. Hytonen // ACS Appl Mater Interfaces. - 2017. - V. 9. -P. 21959-21970.

68. Rhee, S. 3D bioprinting of spatially heterogeneous collagen constructs for cartilage tissue engineering / S. Rhee, J. L. Puetzer, B. N. Mason, C. A. Reinhart-King, L. J. Bonassar // ACS Biomaterials Science and Engineering. -2016. - V. 2. - P. 1800-1805.

69. Huang, Y. In vitro characterization of chitosan-gelatin scaffolds for tissue engineering / Y. Huang, S. Onyeri, M. Siewe, A. Moshfeghian, S. V. Madihally // Biomaterials. - 2005. - V. 26. - P. 7616-7627.

70. Li, G. Direct writing of chitosan scaffolds using a robotic system / G. Li, F. Wei, W. H. Dietmar, S. W. Yoke, T. L. Han, Y.H. F. Jerry // Rapid Prototyping Journal. - 2005. - V. 11. - P. 90-97.

71. Xu, Y. Design and fabrication of porous chitosan scaffolds with tunable structures and mechanical properties / Y. Xu, D. Xia, J. Han, S. Yuan, H. Lin, C. Zhao // Carbohydrate Polymers. - 2017. - V. 177. - P. 210-216.

72. Donderwinkel, I. Bio-inks for 3D bioprinting: recent advances and future prospects / I. Donderwinkel, J. C. M. Van Hest, N. R. Cameron // Polymer Chemistry. - 2017. - V. 8. - P. 4451-4471.

73. Kim, J.E. Current status of three-dimensional printing inks for soft tissue regeneration / J.E. Kim, S.H. Kim, Y. Jung // Tissue Engineering and Regenerative Medicine. - 2016. - V. 13. - P. 636-46.

74. Smetana, K. Cell biology of hydrogels // Biomaterials - 1993. - V. 14. -№ 14, - P. 1046-1050.

75. Gomez-Guillen, M. C. Structural and physical properties of gelatin extracted from different marine species: a comparative study // M. C. Gomez-Guillen, J. Turnay, M. D. Fernandez-Diaz, N. Ulmo, M. A. Lizarbe, P. Montero // Food Hydrocolloids. - 2002. - V. 16. - P. 25-34.

76. Sakai, S. An injectable, in situ enzymatically gellable, gelatin derivative for drug delivery and tissue engineering / S. Sakai, K. Hirose, K. Taguchi, Y. Ogushi, K. Kawakami // Biomaterials. - 2009. - V. 30. - P. 3371-3377.

77. Chung, J. H. Y. Bio-ink properties and printability for extrusion printing living cells / J. H. Y. Chung, S. Naficy, Z. Yue, R. Kapsa, A. Quigley, S. E. Moulton, G. Wallace // Biomaterials Science. - 2013. - V. 1. - P. 763-773.

78. Suntornnond, R. Bioprinting of thermoresponsive hydrogels for next generation tissue engineering: a review / R. Suntornnond, J. An, C. K. Chua // Macromolecular Materials and Engineering. - 2017. - V. 302. -№ 1. -15 p.

79. Zhang, Y. Electrospinning of gelatin fibers and gelatin/PCL composite fibrous scaffolds / Y. Zhang, H. Ouyang, C. T. Lim, S. Ramakrishna, Z. M. Huang // Journal of Biomedical Materials Research Part B: Applied Biomaterials. - 2005. - V. 72. - P. 156-65.

80. Mao, B. Impact of saccharides on the drying kinetics of agarose gels measured by in-situ interferometry / B. Mao, T. Divoux, P. Snabre. // Sci Rep. -2017. -V. 7. - № 4. - 126 p.

81. Graham, S. Thermoresponsive Polysaccharides and Their Thermoreversible Physical Hydrogel Networks / S. Graham, P. F. Marina, A. Blencowe // Carbohydrate Polymers. - 2019. - V. 207. - P. 143-159.

82. Pokusaev, B. Thermokinetics and Rheology of Agarose Gel Applied to Bioprinting Technology / B. Pokusaev, A. Vyazmin, N. Zakharov, S. Karlov, D. Nekrasov, V. Reznik, D. Khramtsov // Thermal Science. - 2020. - V. 24. - P. 347-353.

83. Lopez-Marcial, G.R. Agarose-Based Hydrogels as Suitable Bioprinting Materials for Tissue Engineering / G.R. Lopez-Marcial, A.Y. Zeng, C. Osuna, J. Dennis, J.M. Garcia, G.D. O'Connell // ACS Biomaterials Science and Engineering. - 2018. - V. 4. - P. 3610-3616.

84. Senior, J.J. Fabrication of Complex Hydrogel Structures Using Suspended Layer Additive Manufacturing (SLAM) / J. J. Senior, M. E. Cooke, L. M. Grover, A. M. Smith // Advanced Functional Materials - 2019. - V. 29. -1904845 p.

85. Wang, S. Smart hydrogels for 3D bioprinting / S. Wang, J.M. Lee, W.Y. Yeong // International Journal Bioprinting. - 2015. - V.1. - P. 3-14.

86. Jang, T.-S. 3D printing of hydrogel composite systems: recent advances in technology for tissue engineering / T.-S. Jang, H.-D. Jung, H.M. Pan, W.T. Han, S. Chen, J. Song // International Journal Bioprinting. - 2018. - V. 4. - № 1. - P. 126-154.

87. Rivest, Ch. Microscale hydrogels for medicine and biology: synthesis, characteristics and applications / Ch. Rivest, D.W.J. Morrison, B. Ni, J. Rubin, V. Yadav, A. Mahdavi, J.M. Karp, A. Khademhosseini // Journal Mechanics Materials & Structures. - 2007. - V. 2. - № 6. - P.1103-1119.

88. Ozbolat, I.T. Evaluation of bioprinter technologies / I.T. Ozbolat, K. Moncal, H. Gudupati // Additive Manufacturing. - 2017. - V.13. - P. 179-200.

89. Ross, K.A. The effect of mixing conditions on the material properties of an agar gel - microstructural and macrostructural consideration / K.A. Ross, L.J. Pyrak-Nolte, O.H. Campanella // Food Hydrocolloids. - 2006. - V. 20. - P. 7987.

90. Medina-Esquivel, R. Measurement of the sol-gel transition temperature in agar / R. Medina-Esquivel, Y. Freile-Pelegrin, P. Quintana-Owen, J.M. Yanez-Limon, J.J. Alvarado-Gil // International Journal Thermophysics. - 2008. - V. 29. - P. 2036-2045.

91. Pokusaev, B.G. Laws of the formation and diffusion properties of silica and agarose gels / B.G. Pokusaev, S.P. Karlov, A.V. Vyazmin, D.A. Nekrasov // Theoretical Foundation Chemical Engineering. - 2018. - V. 52. - № 2. - P.222-233.

92. Somboon, N. Properties of gels from mixed agar and fish gelatin / N. Somboon, T. Karrila, T. Kaewmanee, S. Karrila // International Food Research Journal - 2014. - V.21. - № 2. - P. 485-492.

93. Owens, G.J. Sol-gel based materials for biomedical applications // Progress Materials Science. - 2016. - V. 77. - P. 1-79.

94. Patel, H. Biodegradable polymer scaffold for tissue engineering / H. Patel, M. Bonde, G. Srinivasan // Trends Biomaterials & Artificial Organs - 2011. -V. 25. - № 1. - P. 20-29.

95. Hutmacher, D.W. An introduction to biodegradable materials for tissue engineering applications / D.W. Hutmacher, J.C.H. Goh, S.H. Teoh // Annals Academy Medicine Singapore - 2001. V. - 30. - № 2. - P. 183-191.

96. Pokusaev B.G. Diffusion of nano-particles in gels / B.G. Pokusaev, S.P. Karlov, A.V. Vyazmin, D.A. Nekrasov // Chemical Engineering Transactions -2016. - V. 47. - P. 91-96.

97. Choudhury, D. The arrival of commercial bioprinters - Towards 3D bioprinting revolution! / D. Choudhury, S. Anand, M.W. Naing // International Journal of Bioprinting. - 2018. - V. 4. - № 2. - P. 139-159.

98. Koch, F. Generic method of printing window adjustment for extrusion-based 3D-bioprinting to maintain high viability of mesenchymal stem cells in an alginate-gelatin hydrogel / F. Koch, K. Trondle, G. Finkenzeller, R. Zengerle, S. Zimmermann, P. Koltay // Bioprinting -2020. - V. 20. - P. 1-9.

99. Hospodiuk, M. The bioink: A comprehensive review on bioprintable materials / M. Hospodiuk, M. Dey, D. Sosnoski, I. T.Ozbolat // Biotechnology Advances - 2017. - V. 35. - № 2. - P. 217-239.

100. Brusnitsina, L. A. Features epoxy-rubber adhesive layer on the dielectric surface / L. A. Brusnitsina, T. A. Alekseeva, E. I. Stepanovskih // Butlerov Communications - 2018. -V.54. - № 5. - P. 90-97.

101. Skopinska-Wisniewska, J. Comparative study of gelatin hydrogels modified by various cross-linking Agents / J. Skopinska-Wisniewska, M. Tuszynska, E. Olewnik-Kruszkowska // Materials. - 2021. - V. 14. - P. 396.

102. 2. Pokusaev B.G. Microorganisms growth in gel volume: process dynamics in limiting mass transfer conditions / B.G. Pokusaev, A.V. Vyazmin, D.A. Nekrasov, N.S. Zakharov, D.P. Khramtsov, N.V. Shumova, D.A. Belova. // Chemical Engineering Transactions. - 2020. - V.79. - P.13-18.

103. Лягин А. М. Перфузионная технология культивирования «Бевацизумаба» / А. М. Лягин, Л. М. Попова // Бутлеровские сообщения. -2021. - Т.66. - №5. -С.89-94.

104. Polyanin, A.D. Hydrodynamics, mass and heat transfer in chemical engineering / A.D. Polyanin, A.M. Kutepov, A.V. Vyazmin, D.A. Kazenin // Taylor & Francis. -2002. - 408 p.

105. Покусаев, Б.Г. Нестационарный массоперенос питательных веществ в гелях с каналами различной пространственной структуры / Б.Г. Покусаев, А.В. Вязьмин, Н.С. Захаров, Д.П. Храмцов, Д.А. Некрасов // Теоретические основы химической технологии. - 2020. - Т. 54. - № 2. - С. 163-175.

106. Rodrigues, C.A.V. Stem cell cultivation in bioreactors / C.A.V. Rodrigues, T.G. Fernandes, M.M. Diogo, C.L. da Silva, J.M.S. Cabral // Biotechnology Advances- 2011. - V. 29. - P. 815-829.

107. Pokusaev B.G. Approaches to mass transfer modeling in micro-channels inside gel / B.G. Pokusaev, A.V. Vyazmin, D.A. Nekrasov, N.S. Zakharov, D.P. Khramtsov, N.V. Shumova // Bulgarian Chemical Communications. -2020. - V. 52. - P. 68-73.

108. Шумова Н. В. Исследование процесса гелеобразования, адгезии слоев и интенсификации массообмена с помощью микроканалов в объеме гелей / Н. В. Шумова, Е. Д. Волкова // Бутлеровские сообщения. -2022.- Т.71.-№9. - С. 47-55.

109. Шумова Н. В. Интенсификация масообмена в объеме геля при создании сети микроканалов / Н. В. Шумова, Е. Д. Волкова // Сборник материалов III Всероссийской научно-практической конференции с участием молодых ученых «Современные тенденции развития химической технологий, промышленной экологий и экологической безопасности». Санкт-Петербург. - 2022. - С. 287-289.

110. Шумова, Н.В. Аппаратурное оформление метода объемного культивирования аэробных микроорганизмов в гидрогелевых матрицах / Н.В. Шумова, А.В. Вязьмин, М.Г. Лагуткин // Сборник статей Международной научно-практической конференции «Доктрины, школы и концепции устойчивого развития науки в современных условиях». - Уфа: Аэтерна, 2023. - С. 22-24.

111. Sorokin V.G. Nonlinear Reaction-Diffusion Equations with Delay: Partial Survey, Exact Solutions, Test Problems, and Numerical Integration / V.G. Sorokin, A.V. Vyazmin // Mathematics. - 2022. - V. 10. -1886 p.

112. Шумова, Н.В. Моделирование роста аэробных клеток в гидрогелевых реакторах с сетью искусственно созданных микроканалов для подачи кислорода / Н.В. Шумова, А.В. Вязьмин, Е.К. Королев // Сборник научных статей по материалам X Международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные научные исследования: инноватика в современном мире». - Уфа: Изд. НИЦ Вестник науки, 2023. -Ч. 1. - С. 119-126.

113. Lin, S. Influence of physical properties of biomaterials on cellular behavior / S. Lin, N. Sangaj, T. Razafiarison, Ch. Zhang, Sh. Varghese // Pharmaceutical Research - 2011. - V. 28. - № 6. - P. 1422-1430.

114. Pokusaev B.G. Agarose gels with bioresorbable additives: the kinetics of the formation, structure, some properties / B.G. Pokusaev, S.P. Karlov, D.A. Nekrasov, N.S. Zakharov, D.P. Khramtsov, V.V. Reznik, A.V. Vyazmin, N.V. Shumova. // Chemical Engineering Transactions. - 2019. - V.74. - P. 11711176.

115. Pokusaev, B.G. Structure of gels layers with cells / B.G. Pokusaev, S.P. Karlov, A.V. Vyazmin, D.A. Nekrasov, N.S. Zakharov, D.P. Khramtsov, D.A. Skladnev, D.V. Tyupa // Journal of Physics. - 2017. - V. 925. - P. 012017.

116. Rodrigues, C.A.V. Stem cell cultivation in bioreactors / C.A.V. Rodrigues, T.G. Fernandes, M.M. Diogo, C.L. da Silva, J.M.S. Cabral // Biotechnology Advances. - 2011. - V. 29. - P. 815-829.

117. Lou-Franco, J. Gold nanozymes: from concept to biomedical applications / J. Lou-Franco, B. Das, C. Elliott, C. Cao // Nano-Micro Letters. - 2021. - V. 13. - P. 10.

118. Skladnev, D.A. Formation of silver nanoparticles in water samples from antarctic lake Untersee / D.A. Skladnev, V.V. Sorokin, V.F. Gal'chenko // Microbiology. - 2017. - V. 86. - P. 355-362.

119. Pokusaev, B.G. Diffusion of nano-particles in gels / B.G. Pokusaev, S.P. Karlov, A.V. Vyazmin, D.A. Nekrasov // Chemical Engineering Transactions. -2016. - V. 47. - P. 91-96.

120. Vyazmin, A.V. Features of biogenic nanoparticle formation in agarose gels and their effect on cells growth during bulk cultivation / A.V. Vyazmin, B.G. Pokusaev, S.P. Karlov, D.A. Skladnev, N.V. Shumova, E.D. Volkova. // Chemical Engineering Transactions. - 2021. -V. 84. - P. 73-78.

Приложение А.1

Копия акта о внедрении результатов диссертационной работы

в Московском Политехе.

Приложение А.2

Копия акта о внедрении результатов диссертационной работы в ООО «Протеиновые Кормовые БиоТехнологии Исследования».