eng
Выпуск #6/2011
А.Козлов, к.т.н., И.Грицкова, д.х.н. С.Гусев, д.м.н
Создание матриц для искусственных тканей на основе полимерных микросфер диаметром 6–60 мкм
Создание матриц для искусственных тканей на основе полимерных микросфер диаметром 6–60 мкм
Просмотры: 2971
Тканевая инженерия раскрывает новые возможности для восстановления поврежденных тканей и органов. В статье представлены результаты работ по созданию искусственных подложек для выращивания клеток живого организма. Гексагональные структуры фотонных кристаллов привлекательны для роста биологических заместителей натуральных тканей и органов.
Теги: polymer microspheres self organization tissue engineering methods van der waals crystals вандерваальсовские кристаллы самоорганизация полимерных микросфер тканевая инженерия
В борьбе с потерями и повреждениями тканей и органов современная медицина до сих пор не может выйти победителем. Основные приемы, выработанные медиками в этой борьбе, – это имплантация механических устройств, трансплантация тканей и органов от одного индивидуума к другому, а также пересадка на поврежденный участок пациента его собственных здоровых тканей. Однако эти методы ограничены в применении. В частности, механические устройства ограничены по своей продолжительности жизни, они могут вызывать аллергические реакции и, если имплантируются детям, то не растут по мере взросления ребенка.
В этом отношении главная цель тканевой инженерии может быть определена как разработка биологических заместителей натуральных тканей и органов, которые будут поддерживать или улучшать функцию ткани или органа [1]. Основная стратегия тканевой инженерии базируется на выращивании тканей на специальных подложках. Первый шаг – это создание подложки. Далее, на нее высаживают клетки и поддерживают их рост в биореакторе. Когда гибридная структура – выращенные на подложке клетки – готова, ее вживляют в организм человека.
Что же представляет собой подложка. Это – полимерная структура, созданная с целью выращивания на ней клеток, поддержания их роста и выращивания ткани. Так как конструкция призвана имитировать естественную среду обитания клеток в организме, это диктует особые требования к ее производству. Структура искусственно созданной подложки должна иметь заданные пористость, морфологию пор, размеры пор, развитую соединительную структуру и обладать механической прочностью [2].
Существует целый ряд методов получения искусственных подложек: использование вспенивания с помощью газа, текстильные технологии, объединение нановолокон, эмульсионную замораживающую сушку, термическое фазовое разделение, удаление растворителя и частичное выщелачивание [3].
Также в последнее время получили распространение подложки на основе фотонных кристаллов [4]. Каждый элемент таких подложек представляет собой микросферу из полимерного материала, между которыми должны встраиваться растущие клетки организма. Поэтому размер диаметра фотонных кристаллов подбирается с учетом размера замещаемых натуральных клеток организма [5].
В данной статье мы продолжаем обсуждение работ [4–6] по созданию искусственных подложек для выращивания клеток живого организма. В нашей работе подложки представляют собой плотноупакованную гексагональную структуру из полимерных микросфер диаметром более 6 мкм. Это, как мы уже говорили, обусловлено размерами клеток, заполняющих подобный матрикс. Чтобы заданная структура была устойчива, ее элементы – полимерные микросферы (ПМ) и условия ее создания должны удовлетворять определенным требованиям. Во-первых, необходимо, чтобы разброс значений диаметров первичных элементов матрикса, представляющих собой полимерные микросферы, лежал в узком диапазоне. Во-вторых, для выстраивания этих первичных элементов необходимо подготовить поверхность – плоскую или не плоскую. В зависимости от физических свойств этой поверхности подложки (упругих, капиллярных, тепловых) появляются дополнительные новые требования к полимерным микросферам. В-третьих, первичные элементы – полимерные микросферы – должны выстроиться упорядоченным образом на данной подложке, то есть создать упаковку. А способность упорядочения напрямую зависит от их свойств. Четвертое требование – полученная структура должна быть устойчива к внешним воздействиям (механическим, тепловым, электромагнитным и т.д.). Последнее условие осложняется тем, что каждая микросфера структуры связана с другими микросферами чрезвычайно слабыми связями нековалентного характера, силами Ван-дер-Ваальса.
В работе в качестве первичных элементов мы использовали полистирольные микросферы диаметром 20 мкм с включением в них 8%-дивинилбензола. Подобный элемент, снятый в растровом электронном микроскопе при ускоряющем напряжении 15 кВ, представлен на рис.1. На фотографии хорошо видна негладкая поверхность микросферы, это влияет на качество упаковки. Ранее мы обнаружили, что негладкость поверхности микросферы вызвана пористостью ее структуры. Этот чрезвычайно важный факт надо учитывать в случаях, когда ПМ находится в жидкости. Жидкость проникает внутрь микросферы и меняет ее механические и гидродинамические характеристики, влияющие в итоге на конечную упаковку вандерваальсового кристалла.
Таким образом, в качестве метода получения таких упаковок была избрана самоорганизация в жидкой фазе с последующим переносом упаковки на твердую поверхность. Этапы упаковки полимерных микросфер состоят из последовательности операций:
получение ПМ капельным путем из суспензии в жидкую фазу;
конвекционное перемешивание ПМ в суспензии с жидкой фазой;
свободное вращение ПМ в перемешивающейся жидкой фазе;
испарение дисперсионной среды;
перенос ПМ на поверхность жидкой фазы;
горизонтальный перенос ПМ в упаковку.
Рассмотрим более подробно этап выкапывания ПМ из суспензии на некоторую поверхность, принадлежащую какой-то субстанции (рис. 2). Для упрощения расчетов будем считать поверхность плоской. Пусть капля объемом V падает на нее и в результате смачивания растекается, образуя сегмент шара высотой H, опирающийся на окружность диаметром d, α – угол смачивания капли с поверхностью. α – является важной характеристикой для создаваемой впоследствии упаковки.
Объем шарового сегмента определяется как
.
Тогда геометрические параметры капли связаны кубическим уравнением
Решая его методом Виета-Кардано [7]
получаем, что
Зная эти параметры, можно определить угол смачивания α. Из геометрических соображений он связан с d и H, как
Например, в работе для V = 0,047 мл и d = 0,6 см было получено H = 0,16 см, α ≈ 460°. Дальнейшее создание упорядоченного 2D-слоя из полимерных микросфер проходило в специальном реакторе (рис.3).
Покажем последовательность действий при формировании упаковки:
первоначально в реактор налили дистиллированную воду и поместили в морозильную камеру;
далее раствор специальной жидкости, налитой в мерный стакан, поместили в морозильную камеру при t° = –22°C;
кольцо из пластмассы опустили в чашку с горячей водой, которую затем поместили в морозильную камеру;
в кольцо из пластмассы налили раствор специальной жидкости и вернули в морозильную камеру;
приготовленный 5%-ный раствор ПМ в этаноле поставили в морозильную камеру;
налили раствор в кольцо на поверхность специальной жидкости и оставили в морозильной камере при t° = –22°C на 24 часа;
для размораживания выставили реактор с ПМ в термошкаф при t° = 4°C;
зафиксировали ПМ на поверхности воды с помощью винилтетраэтилсилана;
перенесли ПМ на твердую подложку.
Вид полученной упаковки представлен на рис. 4.
Для улучшения упаковки ПМ, создаваемой на поверхности воды, применяли вибрацию. Для этого в течение 30 с жидкость подвергали воздействию звуковых волн низкой частоты. После звуковой коррекции упаковка приобрела вид, представленный на рис.5. Выше мы обсуждали требования, предъявляемые к полимерным микросферам для целей образования плотноупакованного матрикса с последующим выращиванием на нем клеточных структур. Пример таких структур на плоском упорядоченном слое представлен на рис.6.
В этих условиях важно понять механизм образования упорядоченной структуры ПМ в виде гексагональной плотной упаковки на плоской поверхности. Анализ литературных данных показал, что значительное количество работ [8, 9] посвящено описанию методики создания упорядоченной плотной упаковки ПМ на различных подложках, при этом механизмы их образования остаются вне рассмотрения.
Условно механизм процесса образования плотной упорядоченной структуры ПМ можно разделить на два самостоятельных процесса: собственно сам процесс формирования плотной структуры ПМ (например, в виде монослоя на поверхности подложки) и удержание этой плотной структуры на поверхности под действием внешних сил. В реальных структурах, очевидно, роль подложки должны выполнять поверхности с хорошей адгезией к микросферам, которые предполагается адсорбировать на ней в виде регулярной упорядоченной структуры. При этом надо выполнить ряд условий: придать плотной структуре твердость, создать шероховатую поверхность на самих микросферах, формирующих плотную структуру на подобной подложке.
На каждую микросферу, находящуюся на поверхности подложки, будут действовать два вида сил: вертикальные силы взаимодействия ПМ с самой подложкой и горизонтальные силы взаимодействия ПМ с соседними микросферами. Опыт показал, что чем больше число микросфер, окружающих ПМ при плотной упаковке, тем больше горизонтальных сил, воздействующих на нее, и тем ниже вероятность горизонтальных перемещений ПМ при внешних воздействиях. То есть, чем меньше диаметр ПМ, тем выше количество микросфер, окружающих ее (пропорционально квадрату диаметра), при постоянстве площади их нанесения. Таким образом, значение суммарной горизонтальной силы, действующей на каждую микросферу, больше. Тогда становится ясно, что создавать плотные упаковки микросфер с малыми диаметрами значительно проще, чем с большими. Сложность упаковки микросфер практически пропорциональна квадрату их линейных размеров. И если в задачах создания носителей информации на основе фотонных кристаллов проблема организации плотной устойчивой упаковки не возникает, то в задачах генной инженерии эта проблема сдерживает создание матриц для выращивания клеток организма.
Из опыта получается, что число микросфер на 1 см2 лежит в диапазоне от сотен тысяч до десятков миллиардов штук. Как создать упорядоченный слой из такого количества ПМ? Все методы получения плотной упаковки ПМ на поверхности разделились на два больших класса: 1) методы, формирующие упорядоченные плотные структуры ПМ на поверхности с помощью внешних механизмов (механических, электромагнитных, химических и т.д.) и 2) методы самоупорядочивания (self – ordering) ПМ, при которых происходит самоорганизация структуры на поверхности [10]. Механизмы их образования для полимерных микросфер больших размеров (d > 5 мкм) достаточно сложны.
При этом в большинстве случаев микросферы из полистирола представляют собой твердые частицы [11]. Динамика нанесения их из объема раствора на поверхность с последующим упорядочиванием включает в себя неравновесные гидродинамические процессы [12], капиллярные эффекты [13], эффекты взаимодействия системы жидкость –поверхность. Эти процессы еще усложнены тем, что пористая структура микросферы открывает пути для проникновения внутрь нее жидкости с растворенными в ней веществами. Благодаря этому меняются динамические характеристики всей неравновесной структуры. Эти эффекты имеют место в случаях, когда микросферы изготовлены из полимерных материалов [14].
При нанесении капли на подложку микросферы совершают сложные движения в вертикальной и горизонтальной плоскости под действием различных факторов. В роли таких факторов могут выступать и сила тяжести, и выталкивающая сила, и капиллярные силы, а также конвекционные потоки массопереноса при смешивании жидкостей. Результат действия первых двух сил несложно определить и вычислить глубину погружения ПМ в жидкости. Простые расчеты показывают, что глубина погружения линейно зависит от диаметра ПМ.
А вот учесть эффекты воздействия на ПМ капиллярных сил и конвекционных потоков массопереноса при смешивании жидкостей гораздо сложнее. При нанесении ПМ на поверхность жидкости между микросферами появляются два вида сил, связанных с капиллярным эффектом: горизонтальные и вертикальные. Вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения, вместе с силой Архимеда, удерживает ПМ на поверхности жидкости. Горизонтальная составляющая заставляет ПМ "стягиваться" друг к другу. В результате подобных эффектов плотность упаковки увеличивается. Однако если микросферы неподвижны и находятся в статичном состоянии, то максимально плотная упаковка не достижима. Это следствие проявления поверхностных сил трения между соседними микросферами. Для создания максимально плотной упаковки необходимы особые условия. Если их обеспечить, то ПМ, перемещаясь внутри упаковки, постепенно "утрамбовываются" внутри нее и создают максимально упакованный слой. После процессов перемешивания образуется плотный слой полимерных микросфер, лежащих на поверхности.
Кроме этого, образование упорядоченного монослоя связано с образованием "кластеров" в виде слипшихся цепочек отдельных микросфер. Образование таких цепочек происходит случайно, в результате конвекционного перемешивания жидкой среды, в которую погружены микросферы. В случае, если эти силы превышают динамические силы движения микросфер, слипание микросфер осуществляется под действием капиллярных сил между отдельными ПМ. Для двух соседних микросфер это означает, что Fкап > m ( v2 – v1) / τ, где τ – время взаимодействия соседних микросфер.
Вследствие случайного образования кластеров их геометрия и число являются случайными функциями их движения Γ ( r1, v1 ,r2 ,v2 ), Ν ( r1, v1 ,r2 ,v2 ).
Очевидно, что масса кластеров превышает массу отдельных микросфер. Во время конвекционного перемешивания массы жидкость-ПМ микросферы поднимаются на поверхность. Теперь на них кроме сил выталкивания и силы тяжести действуют также и капиллярные силы. При этом, если сумма сил поверхностного натяжения (Fпн) и выталкивающей силы (FА) превышает сумму сил тяжести (Fтяж) и конвекции (Fконвекц), то микросферы остаются на поверхности жидкости (Fпн + FА > Fтяж + Fконвекц). Подобные кластеры совершают движение в основном в горизонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости постепенно прекращают свое движение. Образование плотной структуры из ПМ происходит вследствие слипания отдельных кластеров в агрегаты на поверхности, когда эффективный радиус их взаимодействия оказывается меньше определенного, критического значения.
Следует отметить, что горизонтальные силы, удерживающие агрегаты на поверхности жидкости, это – вандерваальсовские силы. Известно, что по сравнению со всеми остальными силами, участвующими в образовании самосогласованной плотной упаковки ПМ, они наиболее слабые. При этом, без внешнего воздействия, из-за наличия кластеров, случайно ориентированных в горизонтальной плоскости, добиться идеальной гексагональной упаковки не удается. Это дополнительно уменьшает силы взаимодействия между агрегатами. Подчеркнем, что создание самосогласованного плотноупакованного монослоя ПМ требует выполнения целого ряда условий как по взаимодействию между микросферой и подложкой, так и по физическим параметрам окружающей среды.
Формирование многослойной плотной гексагональной упаковки ПМ может происходить несколькими способами. Первый способ – независимое формирование гексагональной упаковки каждого слоя по отдельности и независимая фиксация горизонтальных связей в каждом слое. Образование многослойной структуры при этом происходит в результате наложения одного слоя на другой через промежуточную среду. При такой укладке необходимо фиксировать вертикальные связи между слоями. Такие предосторожности уменьшат влияние сдвиговых напряжений на горизонтальное перемещение слоев друг относительно друга.
Кроме того, образование многослойной структуры возможно в результате горизонтальной деформации упаковки полимерных микросфер внутри гексагонально упакованного монослоя. При этом также необходима вертикальная фиксация ПМ между слоями. Еще одной возможностью формирования многослойной структуры ПМ является одновременное образование нескольких слоев путем осаждения ПМ из жидкой фазы сразу на твердую подложку.
При формировании монослоя ПМ весьма важно влияние структуры поверхности отдельных микросфер. Из-за шероховатости поверхности отдельных микросфер при образовании плотной упаковки происходит их "слипание" с последующим образованием "кластеров". Этот эффект исключает возможность создания фотонного монокристалла. Для его устранения необходимо предварительно модифицировать поверхность микросфер для снижения ее шероховатости.
Таким образом, для улучшения упаковки двойного слоя необходимо устранить образование "слипания" микросфер во время формирования плотной упаковки. Также, уже после образования упаковки, необходимо фиксировать его на поверхности жидкости.
Литература
Shyh-Jou Shieh, Joseph P. Vacanti. State-of-the-art tissue engineering: From tissue engineering to organ building. – Surgery 2005, v.137, p. 1.
Peter X. Ma. Scaffolds for tissue fabrication. – Materials Today, May 2004, p.30.
Valerie Liu Tsang, Sangeeta N. Bhatia. Three-dimensional tissue fabrication. – Advanced Drug Delivery Reviews, 2004, v. 56, p. 1635.
Козлов А., Грицкова И., Гусев С. Фотонные кристаллы на основе полимерных микросфер. – Фотоника, 2009, № 6, с.8.
Отчет по гранту РФФИ № 03-10-00717 2010–2011.
Козлов А., Грицкова И., Гусев С. Моделирование упорядоченного монослоя фотонных кристаллов. – Фотоника, 2010, №2, с. 47.
Ru.wikipedia.org/wiki/Формула Кардано
B.Y. Xia, Gates B., Yin Y., and Y.Lu. Monodispersed Colloidal Spheres; Old Materials with New Applications. – Adv. Materials, 2000, №10, p.693-713.
Charged Colloidal Particles in Nonpolar Solvents and Self – assembled Colloidal Model Systems. – Dissertation on Doctor of Philosophy. – Harvard University. – 2004.- p.111.
Vinothan N. Manoharan, David J. Pine. Building Materials by Packing Spheres. – MRS Bulletin, February, 2004, p.91, www.mrs.org/publications/bulletin/
Рапис Е. Самоорганизация и супермолекулярная химия пленки белка от нано- до макромасштабов. – Журнал технической физики, 2004, т.74, вып.4, с.117.
Сивухин Д. Общий курс физики. – М.: Наука, 1975.
Ландау Л., Лившиц Е. Теоретическая физика.T.6. Гидродинамика.– М.: Наука, 1988.
Borden M., Attawia M., Khan Y., Laurencin C. Tissue engineered microsphere-based matrices for bone repair: design and evaluation. – Biomaterials, 2002, v.23, p. 551.
В этом отношении главная цель тканевой инженерии может быть определена как разработка биологических заместителей натуральных тканей и органов, которые будут поддерживать или улучшать функцию ткани или органа [1]. Основная стратегия тканевой инженерии базируется на выращивании тканей на специальных подложках. Первый шаг – это создание подложки. Далее, на нее высаживают клетки и поддерживают их рост в биореакторе. Когда гибридная структура – выращенные на подложке клетки – готова, ее вживляют в организм человека.
Что же представляет собой подложка. Это – полимерная структура, созданная с целью выращивания на ней клеток, поддержания их роста и выращивания ткани. Так как конструкция призвана имитировать естественную среду обитания клеток в организме, это диктует особые требования к ее производству. Структура искусственно созданной подложки должна иметь заданные пористость, морфологию пор, размеры пор, развитую соединительную структуру и обладать механической прочностью [2].
Существует целый ряд методов получения искусственных подложек: использование вспенивания с помощью газа, текстильные технологии, объединение нановолокон, эмульсионную замораживающую сушку, термическое фазовое разделение, удаление растворителя и частичное выщелачивание [3].
Также в последнее время получили распространение подложки на основе фотонных кристаллов [4]. Каждый элемент таких подложек представляет собой микросферу из полимерного материала, между которыми должны встраиваться растущие клетки организма. Поэтому размер диаметра фотонных кристаллов подбирается с учетом размера замещаемых натуральных клеток организма [5].
В данной статье мы продолжаем обсуждение работ [4–6] по созданию искусственных подложек для выращивания клеток живого организма. В нашей работе подложки представляют собой плотноупакованную гексагональную структуру из полимерных микросфер диаметром более 6 мкм. Это, как мы уже говорили, обусловлено размерами клеток, заполняющих подобный матрикс. Чтобы заданная структура была устойчива, ее элементы – полимерные микросферы (ПМ) и условия ее создания должны удовлетворять определенным требованиям. Во-первых, необходимо, чтобы разброс значений диаметров первичных элементов матрикса, представляющих собой полимерные микросферы, лежал в узком диапазоне. Во-вторых, для выстраивания этих первичных элементов необходимо подготовить поверхность – плоскую или не плоскую. В зависимости от физических свойств этой поверхности подложки (упругих, капиллярных, тепловых) появляются дополнительные новые требования к полимерным микросферам. В-третьих, первичные элементы – полимерные микросферы – должны выстроиться упорядоченным образом на данной подложке, то есть создать упаковку. А способность упорядочения напрямую зависит от их свойств. Четвертое требование – полученная структура должна быть устойчива к внешним воздействиям (механическим, тепловым, электромагнитным и т.д.). Последнее условие осложняется тем, что каждая микросфера структуры связана с другими микросферами чрезвычайно слабыми связями нековалентного характера, силами Ван-дер-Ваальса.
В работе в качестве первичных элементов мы использовали полистирольные микросферы диаметром 20 мкм с включением в них 8%-дивинилбензола. Подобный элемент, снятый в растровом электронном микроскопе при ускоряющем напряжении 15 кВ, представлен на рис.1. На фотографии хорошо видна негладкая поверхность микросферы, это влияет на качество упаковки. Ранее мы обнаружили, что негладкость поверхности микросферы вызвана пористостью ее структуры. Этот чрезвычайно важный факт надо учитывать в случаях, когда ПМ находится в жидкости. Жидкость проникает внутрь микросферы и меняет ее механические и гидродинамические характеристики, влияющие в итоге на конечную упаковку вандерваальсового кристалла.
Таким образом, в качестве метода получения таких упаковок была избрана самоорганизация в жидкой фазе с последующим переносом упаковки на твердую поверхность. Этапы упаковки полимерных микросфер состоят из последовательности операций:
получение ПМ капельным путем из суспензии в жидкую фазу;
конвекционное перемешивание ПМ в суспензии с жидкой фазой;
свободное вращение ПМ в перемешивающейся жидкой фазе;
испарение дисперсионной среды;
перенос ПМ на поверхность жидкой фазы;
горизонтальный перенос ПМ в упаковку.
Рассмотрим более подробно этап выкапывания ПМ из суспензии на некоторую поверхность, принадлежащую какой-то субстанции (рис. 2). Для упрощения расчетов будем считать поверхность плоской. Пусть капля объемом V падает на нее и в результате смачивания растекается, образуя сегмент шара высотой H, опирающийся на окружность диаметром d, α – угол смачивания капли с поверхностью. α – является важной характеристикой для создаваемой впоследствии упаковки.
Объем шарового сегмента определяется как
.
Тогда геометрические параметры капли связаны кубическим уравнением
Решая его методом Виета-Кардано [7]
получаем, что
Зная эти параметры, можно определить угол смачивания α. Из геометрических соображений он связан с d и H, как
Например, в работе для V = 0,047 мл и d = 0,6 см было получено H = 0,16 см, α ≈ 460°. Дальнейшее создание упорядоченного 2D-слоя из полимерных микросфер проходило в специальном реакторе (рис.3).
Покажем последовательность действий при формировании упаковки:
первоначально в реактор налили дистиллированную воду и поместили в морозильную камеру;
далее раствор специальной жидкости, налитой в мерный стакан, поместили в морозильную камеру при t° = –22°C;
кольцо из пластмассы опустили в чашку с горячей водой, которую затем поместили в морозильную камеру;
в кольцо из пластмассы налили раствор специальной жидкости и вернули в морозильную камеру;
приготовленный 5%-ный раствор ПМ в этаноле поставили в морозильную камеру;
налили раствор в кольцо на поверхность специальной жидкости и оставили в морозильной камере при t° = –22°C на 24 часа;
для размораживания выставили реактор с ПМ в термошкаф при t° = 4°C;
зафиксировали ПМ на поверхности воды с помощью винилтетраэтилсилана;
перенесли ПМ на твердую подложку.
Вид полученной упаковки представлен на рис. 4.
Для улучшения упаковки ПМ, создаваемой на поверхности воды, применяли вибрацию. Для этого в течение 30 с жидкость подвергали воздействию звуковых волн низкой частоты. После звуковой коррекции упаковка приобрела вид, представленный на рис.5. Выше мы обсуждали требования, предъявляемые к полимерным микросферам для целей образования плотноупакованного матрикса с последующим выращиванием на нем клеточных структур. Пример таких структур на плоском упорядоченном слое представлен на рис.6.
В этих условиях важно понять механизм образования упорядоченной структуры ПМ в виде гексагональной плотной упаковки на плоской поверхности. Анализ литературных данных показал, что значительное количество работ [8, 9] посвящено описанию методики создания упорядоченной плотной упаковки ПМ на различных подложках, при этом механизмы их образования остаются вне рассмотрения.
Условно механизм процесса образования плотной упорядоченной структуры ПМ можно разделить на два самостоятельных процесса: собственно сам процесс формирования плотной структуры ПМ (например, в виде монослоя на поверхности подложки) и удержание этой плотной структуры на поверхности под действием внешних сил. В реальных структурах, очевидно, роль подложки должны выполнять поверхности с хорошей адгезией к микросферам, которые предполагается адсорбировать на ней в виде регулярной упорядоченной структуры. При этом надо выполнить ряд условий: придать плотной структуре твердость, создать шероховатую поверхность на самих микросферах, формирующих плотную структуру на подобной подложке.
На каждую микросферу, находящуюся на поверхности подложки, будут действовать два вида сил: вертикальные силы взаимодействия ПМ с самой подложкой и горизонтальные силы взаимодействия ПМ с соседними микросферами. Опыт показал, что чем больше число микросфер, окружающих ПМ при плотной упаковке, тем больше горизонтальных сил, воздействующих на нее, и тем ниже вероятность горизонтальных перемещений ПМ при внешних воздействиях. То есть, чем меньше диаметр ПМ, тем выше количество микросфер, окружающих ее (пропорционально квадрату диаметра), при постоянстве площади их нанесения. Таким образом, значение суммарной горизонтальной силы, действующей на каждую микросферу, больше. Тогда становится ясно, что создавать плотные упаковки микросфер с малыми диаметрами значительно проще, чем с большими. Сложность упаковки микросфер практически пропорциональна квадрату их линейных размеров. И если в задачах создания носителей информации на основе фотонных кристаллов проблема организации плотной устойчивой упаковки не возникает, то в задачах генной инженерии эта проблема сдерживает создание матриц для выращивания клеток организма.
Из опыта получается, что число микросфер на 1 см2 лежит в диапазоне от сотен тысяч до десятков миллиардов штук. Как создать упорядоченный слой из такого количества ПМ? Все методы получения плотной упаковки ПМ на поверхности разделились на два больших класса: 1) методы, формирующие упорядоченные плотные структуры ПМ на поверхности с помощью внешних механизмов (механических, электромагнитных, химических и т.д.) и 2) методы самоупорядочивания (self – ordering) ПМ, при которых происходит самоорганизация структуры на поверхности [10]. Механизмы их образования для полимерных микросфер больших размеров (d > 5 мкм) достаточно сложны.
При этом в большинстве случаев микросферы из полистирола представляют собой твердые частицы [11]. Динамика нанесения их из объема раствора на поверхность с последующим упорядочиванием включает в себя неравновесные гидродинамические процессы [12], капиллярные эффекты [13], эффекты взаимодействия системы жидкость –поверхность. Эти процессы еще усложнены тем, что пористая структура микросферы открывает пути для проникновения внутрь нее жидкости с растворенными в ней веществами. Благодаря этому меняются динамические характеристики всей неравновесной структуры. Эти эффекты имеют место в случаях, когда микросферы изготовлены из полимерных материалов [14].
При нанесении капли на подложку микросферы совершают сложные движения в вертикальной и горизонтальной плоскости под действием различных факторов. В роли таких факторов могут выступать и сила тяжести, и выталкивающая сила, и капиллярные силы, а также конвекционные потоки массопереноса при смешивании жидкостей. Результат действия первых двух сил несложно определить и вычислить глубину погружения ПМ в жидкости. Простые расчеты показывают, что глубина погружения линейно зависит от диаметра ПМ.
А вот учесть эффекты воздействия на ПМ капиллярных сил и конвекционных потоков массопереноса при смешивании жидкостей гораздо сложнее. При нанесении ПМ на поверхность жидкости между микросферами появляются два вида сил, связанных с капиллярным эффектом: горизонтальные и вертикальные. Вертикальная составляющая силы поверхностного натяжения, вместе с силой Архимеда, удерживает ПМ на поверхности жидкости. Горизонтальная составляющая заставляет ПМ "стягиваться" друг к другу. В результате подобных эффектов плотность упаковки увеличивается. Однако если микросферы неподвижны и находятся в статичном состоянии, то максимально плотная упаковка не достижима. Это следствие проявления поверхностных сил трения между соседними микросферами. Для создания максимально плотной упаковки необходимы особые условия. Если их обеспечить, то ПМ, перемещаясь внутри упаковки, постепенно "утрамбовываются" внутри нее и создают максимально упакованный слой. После процессов перемешивания образуется плотный слой полимерных микросфер, лежащих на поверхности.
Кроме этого, образование упорядоченного монослоя связано с образованием "кластеров" в виде слипшихся цепочек отдельных микросфер. Образование таких цепочек происходит случайно, в результате конвекционного перемешивания жидкой среды, в которую погружены микросферы. В случае, если эти силы превышают динамические силы движения микросфер, слипание микросфер осуществляется под действием капиллярных сил между отдельными ПМ. Для двух соседних микросфер это означает, что Fкап > m ( v2 – v1) / τ, где τ – время взаимодействия соседних микросфер.
Вследствие случайного образования кластеров их геометрия и число являются случайными функциями их движения Γ ( r1, v1 ,r2 ,v2 ), Ν ( r1, v1 ,r2 ,v2 ).
Очевидно, что масса кластеров превышает массу отдельных микросфер. Во время конвекционного перемешивания массы жидкость-ПМ микросферы поднимаются на поверхность. Теперь на них кроме сил выталкивания и силы тяжести действуют также и капиллярные силы. При этом, если сумма сил поверхностного натяжения (Fпн) и выталкивающей силы (FА) превышает сумму сил тяжести (Fтяж) и конвекции (Fконвекц), то микросферы остаются на поверхности жидкости (Fпн + FА > Fтяж + Fконвекц). Подобные кластеры совершают движение в основном в горизонтальной плоскости, а в вертикальной плоскости постепенно прекращают свое движение. Образование плотной структуры из ПМ происходит вследствие слипания отдельных кластеров в агрегаты на поверхности, когда эффективный радиус их взаимодействия оказывается меньше определенного, критического значения.
Следует отметить, что горизонтальные силы, удерживающие агрегаты на поверхности жидкости, это – вандерваальсовские силы. Известно, что по сравнению со всеми остальными силами, участвующими в образовании самосогласованной плотной упаковки ПМ, они наиболее слабые. При этом, без внешнего воздействия, из-за наличия кластеров, случайно ориентированных в горизонтальной плоскости, добиться идеальной гексагональной упаковки не удается. Это дополнительно уменьшает силы взаимодействия между агрегатами. Подчеркнем, что создание самосогласованного плотноупакованного монослоя ПМ требует выполнения целого ряда условий как по взаимодействию между микросферой и подложкой, так и по физическим параметрам окружающей среды.
Формирование многослойной плотной гексагональной упаковки ПМ может происходить несколькими способами. Первый способ – независимое формирование гексагональной упаковки каждого слоя по отдельности и независимая фиксация горизонтальных связей в каждом слое. Образование многослойной структуры при этом происходит в результате наложения одного слоя на другой через промежуточную среду. При такой укладке необходимо фиксировать вертикальные связи между слоями. Такие предосторожности уменьшат влияние сдвиговых напряжений на горизонтальное перемещение слоев друг относительно друга.
Кроме того, образование многослойной структуры возможно в результате горизонтальной деформации упаковки полимерных микросфер внутри гексагонально упакованного монослоя. При этом также необходима вертикальная фиксация ПМ между слоями. Еще одной возможностью формирования многослойной структуры ПМ является одновременное образование нескольких слоев путем осаждения ПМ из жидкой фазы сразу на твердую подложку.
При формировании монослоя ПМ весьма важно влияние структуры поверхности отдельных микросфер. Из-за шероховатости поверхности отдельных микросфер при образовании плотной упаковки происходит их "слипание" с последующим образованием "кластеров". Этот эффект исключает возможность создания фотонного монокристалла. Для его устранения необходимо предварительно модифицировать поверхность микросфер для снижения ее шероховатости.
Таким образом, для улучшения упаковки двойного слоя необходимо устранить образование "слипания" микросфер во время формирования плотной упаковки. Также, уже после образования упаковки, необходимо фиксировать его на поверхности жидкости.
Литература
Shyh-Jou Shieh, Joseph P. Vacanti. State-of-the-art tissue engineering: From tissue engineering to organ building. – Surgery 2005, v.137, p. 1.
Peter X. Ma. Scaffolds for tissue fabrication. – Materials Today, May 2004, p.30.
Valerie Liu Tsang, Sangeeta N. Bhatia. Three-dimensional tissue fabrication. – Advanced Drug Delivery Reviews, 2004, v. 56, p. 1635.
Козлов А., Грицкова И., Гусев С. Фотонные кристаллы на основе полимерных микросфер. – Фотоника, 2009, № 6, с.8.
Отчет по гранту РФФИ № 03-10-00717 2010–2011.
Козлов А., Грицкова И., Гусев С. Моделирование упорядоченного монослоя фотонных кристаллов. – Фотоника, 2010, №2, с. 47.
Ru.wikipedia.org/wiki/Формула Кардано
B.Y. Xia, Gates B., Yin Y., and Y.Lu. Monodispersed Colloidal Spheres; Old Materials with New Applications. – Adv. Materials, 2000, №10, p.693-713.
Charged Colloidal Particles in Nonpolar Solvents and Self – assembled Colloidal Model Systems. – Dissertation on Doctor of Philosophy. – Harvard University. – 2004.- p.111.
Vinothan N. Manoharan, David J. Pine. Building Materials by Packing Spheres. – MRS Bulletin, February, 2004, p.91, www.mrs.org/publications/bulletin/
Рапис Е. Самоорганизация и супермолекулярная химия пленки белка от нано- до макромасштабов. – Журнал технической физики, 2004, т.74, вып.4, с.117.
Сивухин Д. Общий курс физики. – М.: Наука, 1975.
Ландау Л., Лившиц Е. Теоретическая физика.T.6. Гидродинамика.– М.: Наука, 1988.
Borden M., Attawia M., Khan Y., Laurencin C. Tissue engineered microsphere-based matrices for bone repair: design and evaluation. – Biomaterials, 2002, v.23, p. 551.
Отзывы читателей
