Ганимедов В.Л. Папаева Е.О. Маслов Н.А. Ларионов П.М.
Численное моделирование течения жидкости в вихревом биологическом реакторе
Докладчик: Папаева Е.О.
На данный момент для цели репаративной регенерации костной ткани является актуальной разработка клеточно-опосредованных скаффолд-технологий для лечения критических дефектов кости. Схематично, скаффолд-технология подразделяется на два этапа: на этап создания скаффолда – каркаса для заселения клеток, и на не менее важный этап – создание условий для ведения заселенного клетками скаффолда. Если для каркаса основные свойства в какой-то степени определены (эффективная адгезия клеток, остеоиндуктивность, элементы биомиметики кости, механические характеристики), то параметры реактора для ведения заселенного клетками скаффолда во многом являются предметом интенсивных исследований. Математическое моделирование может помочь в поиске оптимальных параметров реактора для культурального ведения скаффолда: геометрии каркаса, механических свойств каркаса, уровня механической нагрузки на клетки, концентрации питательных веществ, ростовых факторов.
В качестве основы для заселения клетками предлагается полотно на основе поликапролактона с включением желатина или хитозана, а так же микроэлементов определяющих остеоиндукцию. Полотно заселяется клетками, а затем помещается в биореактор для дальнейшего культивирования. Схематически моделируемый биореактор состоит из двух соосных цилиндров разной высоты. Полость внешнего цилиндра заполнена жидкостью, а с торцов ограничена непроницаемыми неподвижными поверхностями. Генератором течения в замкнутой полости внешнего цилиндра является вращение вокруг общей оси внутреннего цилиндра, который имеет конечную толщину стенок и погружен в жидкость. На поверхностях внутреннего цилиндра фиксируется полотно, заселенное клетками, которое является объектом воздействия сил, порождаемых потоком вращающейся жидкости. Чтобы улучшить качество тканеинженерных конструкций, важно знать распределение касательного напряжения на поверхности образца в зависимости от частоты вращения. Для его оценки было проведено моделирование с помощью программного пакета ANSYS Fluent.
Для математического описания течения привлекалась система уравнений Навье – Стокса. Режим течения постулировался ламинарным. Дискретизация области определения и численное решение задачи построены с помощью пакета прикладных программ ANSYS. Число элементарных объемов равно 3.2 млн. Решение получено методом установления.
В результате проделанной работы была отработана методика расчета течения в математической модели биологического реактора. Для задачи двух коаксиальных цилиндров решение, полученное с помощью построенного вычислительного алгоритма, хорошо согласуется с аналитическим решением Куэтта. Установлено, что в моделируемом биореакторе в кольцевом зазоре между цилиндрами возникают вихри Тэйлора. Построенная математическая модель и созданный вычислительный алгоритм расчета течения позволяют предсказывать значения касательного напряжения и давления в зависимости от частоты вращения, а так же оптимизировать режим работы биореактора.
Поддержано грантом РФФИ 15-29-04849 «Тканеинженерные конструкции для замещения дефектов кости с оптическим контролем на основе лазерно-индуцированной флуоресцентной спектроскопии»
К списку докладов