ВВЕДЕНИЕ ............................................................................................................. 8
ГЛАВА 1 АДДИТИВНОЕ ПРОИЗВОДСТВО В БИОМЕДИЦИНЕ -
ПРЕИМУЩЕСТВА И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ .............................................. 19
1.1 Композиционные материалы для восстановления функций
поврежденных тканей ............................................................................................... 19
1.2 История развития трехмерной печати композиционных
материалов..................................................................................................................23
1.2.1 Преимущества трехмерной печати для биомедицинских
приложений ............................................................................................................ 26
1.2.2 Будущие тенденции трехмерной печати в медицинском
направлении ........................................................................................................... 27
1.2.3 Биопечать на основе биочернил и ее ограничения ........................ 28
1.2.4 Биоматериально-независимая (без поддержек) биопечать ........... 30
1.2.5 Магнитное левитационное формирование как формативный
способ производства ............................................................................................. 33
1.3 Трехмерная печать костных трансплантатов из неорганического
материала……………………………………………………………………………36
1.4 Трехмерная печать композиционных материалов мягких тканей ... 37
1.4.1 Тканевые сфероиды – органические «строительные блоки» для
формирования ........................................................................................................ 37
1.4.2 Трехмерная биопечать с использованием роботических систем . 39
1.4.3 Формирование мягких тканей с использованием магнитных
полей……………………………………………………………………………...42
1.4.4 Формирование мягких тканей с применением сильных магнитных
полей……………………………………………………………………………...46
1.4.5 Использование условий микрогравитации на борту Российского
сегмента Международной космической станции для формирования
композиционных материалов медицинского назначения ................................. 47
1.4.6 Формирование композиционных материалов с использованием акустических полей ............................................................................................... 50
1.5 Заключение по Главе 1 ......................................................................... 53
ГЛАВА 2 МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ................. 55
2.1 Материалы и реагенты .......................................................................... 55
2.2 Синтез и свойства фосфатов кальция ................................................. 55
2.3 Клеточные культуры ............................................................................. 58
2.4 Подготовка тканевых сфероидов ......................................................... 61
2.5 Определение диаметра и округлости тканевых сфероидов .............. 62
2.6 Оценка жизнеспособности тканевых сфероидов при различных условиях……………………………………………………………………………..62
2.7 Анализ слияния тканевых сфероидов ................................................. 63
2.8 Морфология тканевых сфероидов ....................................................... 64
2.9 Гистология трехмерных композиционных материалов в виде мягких тканей………………………………………………………………………………..64
2.10 Тест жизнеспособности клеточного материала в трехмерных композиционных материалах ................................................................................... 66
2.11 Оценка на биосовместимость трехмерных композиционных материалов из фосфатов кальция ............................................................................ 66
2.12 Анализ сокращения трубчатого образца трехмерного композиционного материала .................................................................................... 67
2.13 Сканирующая электронная микроскопия и конфокальная лазерная сканирующая микроскопия образцов ..................................................................... 68
2.14 Просвечивающая электронная микроскопии образцов .................... 69
2.15 Электроспиннинг полиуретанового матрикса ................................... 69
2.16 Определение плотности модельных объектов ................................... 70
2.17 Анализ термочувствительного неадгезивного гидрогеля ................. 70
2.17.1 Оценка влияния геля на жизнеспособность тканевых сфероидов70
2.17.2 Реологическое тестирование ............................................................ 71
2.18 Механические испытания тканевых сфероидов ................................ 72
2.19 Окрашивание альциановым синим ..................................................... 72
2.20 Иммуногистохимическое окрашивание на коллаген II типа ............ 73
2.21 Визуализация бактериальных конгломератов ................................... 74
2.24 Анализ данных ....................................................................................... 75
2.25 Заключение по Главе 2 ......................................................................... 76
ГЛАВА 3 РАЗРАБОТКА СТЕНДОВ ДЛЯ МАГНИТНОГО, АКУСТИЧЕСКОГО И МАГНИТОАКУСТИЧЕСКОГО ФОРМИРОВАНИЯ ТРЕХМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ................................ 77
3.1 Экспериментальные стенды для генерации магнитных полей ........ 77
3.1.1 На базе цилиндрических магнитов .................................................. 80
3.1.2 На базе концентрических кольцевых магнитов ............................. 84
3.1.3 На базе сближенных вплотную кольцевых магнитов ................... 91
3.1.4 На базе магнита Биттера ................................................................... 99
3.2 Экспериментальные стенды по генерации акустических полей .... 103
3.2.1 Акустическая радиационная сила ................................................. 103
3.2.2 Особенности разработки системы для случая с цилиндрическим пьезокерамическим излучателем ....................................................................... 109
3.2.3 Численный анализ оптимальных параметров излучающего пьезоэлектрического элемента ........................................................................... 111
3.2.4 Определение резонансной частоты цилиндрического преобразователя ................................................................................................... 113
3.2.5 Зависимость резонансной частоты от параметров пьезокерамики…………………………………………………………………..116
3.2.6 Структура поля в зависимости от граничных условий ............... 120
3.2.7 Зависимость диапазона частот эффективного излучения от толщины излучающего элемента ....................................................................... 122
3.2.8 Структура поля акустической радиационной силы ..................... 124
5
3.2.9 Особенности разработки системы для случая с плоским пьезокерамическим излучателем ....................................................................... 128
3.3 Экспериментальные стенды по генерации магнитоакустических полей……………………………………………………………………………….132
3.3.1 Описание метода ............................................................................. 132
3.3.2 Действие силы акустического излучения на малые рассеиватели в цилиндрическом волновом поле ........................................................................ 135
3.3.3 Магнитоакустический стенд на основе постоянных магнитов .. 137
3.3.4 Магнитоакустический стенд на основе магнита Биттера ........... 140
3.4 Заключение по Главе 3 ....................................................................... 150
ГЛАВА 4 ФОРМИРОВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНЫХ ТРЕХМЕРНЫХ КОПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ТКАНЕВОЙ ИНЖЕНЕРИИ В НЕОДНОРОДНОМ МАГНИТНОМ, АКУСТИЧЕСКОМ ПОЛЯХ И ИХ КОМБИНАЦИИ ............................................................................. 151
4.1 Формирование трехмерных композиционных материалов твердых тканей на основе фосфатов кальция ...................................................................... 152
4.1.1 В магнитном поле на базе постоянных кольцевых магнитов .... 152
4.1.2 В акустическом поле от плоского излучателя ............................. 160
4.2 Формирование трехмерных композиционных материалов мягких тканей из клеточного материала ............................................................................ 161
4.2.1 В магнитном поле на базе постоянных магнитов из хрящевого клеточного материала ......................................................................................... 161
4.2.2 В сильном магнитном поле на базе магнита Биттера из хрящевого клеточного материала ......................................................................................... 171
4.2.3 В акустическом поле от плоского излучателя ............................. 177
4.2.4 В акустическом поле от цилиндрического излучателя ............... 178
4.2.5 В магнитоакустическом поле на базе постоянных магнитов. Формирование кольцеобразного ТКМ из клеточного материала .................. 180
6
4.2.6 В магнитоакустическом поле на базе магнита Биттера. Формирование трубчатого ТКМ из клеточного материала ............................ 182
4.3 Заключение по главе 4 ........................................................................ 188
ГЛАВА 5 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ МАГНИТНОГО ФОРМИРОВАНИЯ В УСЛОВИЯХ МИКРОГРАВИТАЦИИ НА БОРТУ РОССИЙСКОГО СЕГМЕНТА МЕЖДУНАРОДНОЙ КОСМИЧЕСКОЙ СТАНЦИИ…………………………………………………………………………..192
5.1 Разработка научной аппаратуры по космическому эксперименту «Магнитный 3D-биопринтер»................................................................................ 192
5.1.1 Разработка подхода магнитного формирования в условиях микрогравитации ................................................................................................. 192
5.1.2 Математическое описание динамики формирования ................. 195
5.1.3 Конструкция магнитного биопринтера и кювет .......................... 199
5.1.4 Тепловой расчет системы из укладки и кювет в термостате ТБУ-В………………………………………………………………………………….205
5.1.5 Анализ температуры в эксперименте на МКС ............................. 206
5.1.6 Методика заправки кюветы ........................................................... 209
5.2 Изучение процесса формирования образцов трехмерных композиционных материалов в условиях микрогравитации на борту РС МКС………………………………………………………………………………..214
5.2.1 Формирование трехмерных композиционных материалов в виде твердых тканей на основе фосфатов кальция .................................................. 217
5.2.2 Формирование трехмерных композиционных материалов из клеточного материала в виде мягких тканей.................................................... 251
5.3 Заключение по главе 5 ........................................................................ 269
ЗАКЛЮЧЕНИЕ ................................................................................................. 272
ЛИТЕРАТУРА ................................................................................................... 276
ПЕРЕЧЕНЬ ПРИНЯТЫХ СОКРАЩЕНИЙ................................................ 298
7
ПРИЛОЖЕНИЕ А. АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ........... 300
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. АКТ ОБ ИСПОЛЬЗОВАНИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ........... 302
ПРИЛОЖЕНИЕ В. РЕШЕНИЕ СЕКЦИИ № 1 «КОСМИЧЕСКАЯ БИОЛОГИЯ И ФИЗИОЛОГИЯ» КООРДИНАЦИОННОГО НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО СОВЕТА РОСКОСМОСА ......................................................... 304
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА КОСМИЧЕСКИЙ ЭКСПЕРИМЕНТ ......................................................................................................... 305
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ НА НАУЧНУЮ АППАРАТУРУ ............................................................................................................ 307
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. ТЕХНИЧЕСКИЕ УСЛОВИЯ НА НАУЧНУЮ АППАРАТУРУ ............................................................................................................ 311
ПРИЛОЖЕНИЕ Ж. ЗАКЛЮЧЕНИЕ САНИТАРНО-ГИГИЕНИЧЕСКОЙ ЭКСПЕРТИЗЫ ............................................................................................................. 313
