Theoretical Foundations of Chemical EngineeringTheoretical Foundations of Chemical EngineeringТеоретические основы химической технологии0040-35713034-6053The Russian Academy of Sciences68651210.31857/S0040357125010061tyauhrArticlesСтатьиResearch ArticleNon-stationarynon-stationarynon-stationary mass transfer in gel systems with graphene oxide as applied to 3d-bioprinting technologiesНестационарный массоперенос в гелевых системах с оксидом графена применительно к технологиям 3D-биопечатиKhramtsovD. P.ХрамцовД. П.
Russian Federation
a.moshin97@mail.ruMoshinA. A.МошинА. А.
Russian Federation
a.moshin97@mail.ruPokusaevB. G.ПокусаевБ. Г.
Russian Federation
a.moshin97@mail.ruNekrasovD. A.НекрасовД. А.
Russian Federation
a.moshin97@mail.ruZakharovN. S.ЗахаровН. С.
Russian Federation
a.moshin97@mail.ruMIREA – Russian Technological UniversityМИРЭА – Российский технологический университетMoscow Polytechnic UniversityМосковский политехнический университет1501202559147560107202501072025Copyright ©; 2025, Russian Academy of SciencesCopyright ©; 2025, Российская академия наук2025Russian Academy of SciencesРоссийская академия наукhttps://genescells.com/0040-3571/article/view/686512

The pattern of diffusion front propagation in pure agarose hydrogels as well as with the addition of graphene oxide was compared by the methods of moving boundaries and optical sensing, and the mass-transfer properties of the gel systems were measured. It was found that graphene oxide has high surface activity, becomes part of the mesh structure of the gel, increasing its porosity and thus affecting the diffusion rate and efficiency. In addition, graphene oxide contributes to the ordering of the gel structure or reduces light scattering within the gel. The combination of hydrogels with graphene oxide enables the creation of systems with controllable optical properties, which in turn opens up new opportunities for improving 3D-bioprinting technologies. Based on the random walk method, a numerical model is proposed that is well suited to describe the structures of hydrogels with graphene oxide. This model will help to determine the quality of materials in 3D-bioprinting technologies in terms of nutrient delivery efficiency for living microorganisms located inside the gel. The comparison of experimental data and numerical modeling demonstrated a good agreement between them.

Методами подвижных границ и оптического зондирования проведено сравнение закономерности распространения диффузионного фронта как в чистых агарозных гидрогелях, так и с добавлением оксида графена, и измерены массопроводные свойства гелевых систем. Установлено, что оксид графена обладает высокой поверхностной активностью, становится частью сетчатой структуры геля, влияя на скорость и эффективность диффузии. Кроме того, оксид графена способствует упорядочиванию гелевой структуры или же снижает рассеяние света внутри геля. Сочетание гидрогелей с оксидом графена позволяет создавать системы с управляемыми оптическими свойствами, что, в свою очередь, открывает новые возможности для совершенствования технологий 3D-биопечати. На основе метода случайного блуждания предложена численная модель, которая хорошо подходит для описания структур гидрогелей с оксидом графена. Данная модель позволит определять качество материалов в технологиях 3D-биопечати с точки зрения эффективности подачи питательных веществ для живых микроорганизмов, расположенных внутри геля. Сопоставление экспериментальных данных и численного моделирования продемонстрировало их значительное соответствие.

hydrogelgraphene oxidemass transfermoving boundary method3D-bioprintingspectrometrynumerical modelгидрогельоксид графенамассопереносметод подвижных границ3D-биопечатьспектрометриячисленная модельМосковский политехнический университетMoscow Polytechnic UniversityXu W., Jambhulkar S., Ravichandran D., Zhu Y., Kakarla M., Nian Q., Azeredo B., Chen X., Jin K., Vernon B. 3D printing– enabled nanoparticle alignment: A review of mechanisms and applications // Small. 2021. V. 17.Kumar V., Kaur H., Kumari A., Hooda G., Garg V., Dureja H. Drug delivery and testing via 3D printing // Bioprinting. 2023. V. 36.Banga H.K., Kalra P., Belokar R.M., Kumar R. Design and fabrication of prosthetic and orthotic product by 3D printing. In Prosthetics and Orthotics // IntechOpen. London, 2020.Pokusaev B.G., Vyazmin A.V., Zakharov N.S., Khramtsov D.P., Nekrasov D.A. Unsteady mass transfer of nutrients in gels with channels of different spatial structures // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2020. V. 54. P. 277. [Покусаев Б.Г., Вязьмин А.В., Захаров Н.С., Храмцов Д.П., Некрасов Д.А. Нестационарный массоперенос питательных веществ в гелях с каналами различной пространственной структуры // Теоретические основы химической технологии. 2020. Т. 54. № 2. С. 163.]Itapu B.M., Jayatissa A.H. A review in graphene/polymer composites // Chem. Sci. Int. J. 2018. № 23. Р. 1.Palmieri, V., Spirito M.D., Papi M. Graphene-based scaffolds for tissue engineering and photothermal therapy // Nanomedicine. 2020. № 15. Р. 1411.Mantecón-Oria M., Tapia O., Lafarga M., Berciano M.T., Munuera J.M., Villar-Rodil S., Paredes J.I., Rivero M.J., Diban N., Urtiaga A. Influence of the properties of different graphene-based nanomaterials dispersed in polycaprolactone membranes on astrocytic differentiation // Sci. Rep. 2022. № 12. Р. 13408.Patil R., Alimperti S. Graphene in 3D Bioprinting // J. Funct. Biomater. 2024. № 15. Р. 82. https://doi.org/10.3390/jfb15040082.Hong N., Yang G. H., Lee J., Kim G. 3D Bioprinting and Its in vivo Applications // J. Biomed. Mater. Res. Part B. 2018. V. 106. № 1. P. 444.Holzl K., Lin S. M., Tytgat L., Van Vlierberghe S., Gu, L.X., Ovsianikov A. Bioink Properties Before, During and After 3D Bioprinting // Biofabrication. 2016. V. 8. № 3. P. 032002.Gillies A.R., Lieber R.L. Structure and Function of the Skeletal Muscle Extracellular Matrix // Muscle Nerve. 2011. V. 44. № 3. Р. 318.Derakhshanfar S., Mbeleck R., Xu K., Zhang X., Zhong W., Xing M. 3D Bioprinting for Biomedical Devices and Tissue Engineering: A Review of Recent Trends and Advances // Bioact. Mater. 2018. V. 3. № 2. Р. 144.Shi Y., Xing T.L., Zhang H.B., Yin R.X., Yang S.M., Wei J., Zhang W.J. Tyrosinase-doped Bioink for 3D Bioprinting of Living Skin Constructs // Biomed. Mater. 2018. V. 13. № 3. Р. 035008.Haring A.P., Thompson E.G., Tong Y., Laheri S., Cesewski E., Sontheimer H., Johnson B.N. Process– and Bio-inspired Hydrogels for 3D Bioprinting of Soft Free-standing Neural and Glial Tissues // Biofabrication. 2019. V. 11. № 2. Р. 025009.Birenboim. M., Nadiv. R., Alatawna. A., Buzaglo. M., Schahar. G., Lee. J., Kim. G., Peled A., Regev O. Reinforcement and workability aspects of graphene-oxide-reinforced cement nanocomposites // Compos. Part. B Eng. 2019. № 161. Р. 68.Yoo M.J., Park H.B. Effect of hydrogen peroxide on properties of graphene oxide in Hummers method // Carbon. 2019. № 141. Р. 515.Dmitriev A.S., Klimenko A.V. Prospects for the Use of Two-Dimensional Nanomaterials in Energy Technologies (Review) // Thermal Engineering. 2023. V. 70. № 8. Р. 551.Motiee E.S., Karbasi S., Bidram E., Sheikholeslam M. Investigation of physical, mechanical and biological properties of polyhydroxybutyrate-chitosan/graphene oxide nanocomposite scaffolds for bone tissue engineering applications // Int. J. Biol.Macromol. 2023. № 247. Р. 125593.Challa A.A., Saha N., Szewczyk P.K., Karbowniczek J.E., Stachewicz U., Ngwabebhoh F.A., Saha P. Graphene oxide produced from spent coffee grounds in electrospun cellulose acetate scaffolds for tissue engineering applications // Mater. Today Commun. 2023. № 35. Р. 105974.Wajahat M., Kim J.H., Ahn J., Lee S., Bae J., Pyo J., Seol S.K. 3D printing of Fe3O4 functionalized graphene-polymer (FGP) composite microarchitectures // Carbon. 2020. № 167. Р. 278.Palaganas J.O., Palaganas N.B., Ramos L.J.I., David C.P.C. 3D printing of covalent functionalized graphene oxide nanocomposite via stereolithography // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2019. № 11. Р. 46034.Ibrahim A., Klopocinska A., Horvat K., Abdel Hamid, Z. Graphene-based nanocomposites: Synthesis, mechanical properties, and characterizations // Polymers. 2021. № 13. Р. 2869.Vatani M., Zare Y., Gharib N., Rhee K.Y., Park S.J. Simulating of effective conductivity for graphene–polymer nanocomposites // Sci. Rep. 2023. № 13. Р. 5907.Haney R., Tran P., Trigg E.B., Koerner H., Dickens T., Ramakrishnan S. Printability and performance of 3D conductive graphite structures // Addit. Manuf. 2021. № 37. Р. 101618.Borode A.O., Ahmed N.A., Olubambi P.A., Sharifpur M., Meyer J.P. Effect of various surfactants on the viscosity, thermal and electrical conductivity of graphene nanoplatelets Nanofluid // Int. J. Thermophys. 2021. № 42. Р. 158.Solìs Moré Y., Panella G., Fioravanti G., Perrozzi F., Passacantando M., Giansanti F., Ardini M., Ottaviano L., Cimini A., Peniche C. Biocompatibility of composites based on chitosan, apatite, and graphene oxide for tissue applications // J. Biomed. Mater. Res. Part A. 2018. № 106. Р. 1585.Patil R., Bahadur P., Tiwari S. Dispersed graphene materials of biomedical interest and their toxicological consequences. Adv. Colloid Interface Sci. 2020. № 275. Р. 102051.Khramtsov D.P., Sulyagina O.A., Pokusaev B.G., Vyazmin A.V., Nekrasov D.A., Moshin A.A. Nonstationary mass transfer of nutrient medium for microorganisms in mixed gels // Theoretical Foundations of Chemical Engineering. 2022. V. 56. P. 669. [Храмцов Д.П., Сулягина О.А., Покусаев Б.Г., Вязьмин А.В., Некрасов Д.А., Мошин А.А. Нестационарный массоперенос питательной среды для микроорганизмов в смесевых гелях // Теоретические основы химической технологии. 2022. Т. 56. № 5. С. 539.]Lin C.C., Metters A.T. Hydrogels in controlled release formulations: Network design and mathematical modeling // Advanced Drug Delivery Reviews. 2006. V. 58. P. 1379.Masuda N., Porter M.A., Lambiotte R. Random walks and diffusion on networks // Physics Reports. 2017. V. 716–717. P. 1.Geim A.K. Random walk to graphene // International journal of Modern Physics B. 2011. V. 25. № 30. P. 4055.Vamos, Calin, et al. Generalized Random Walk Algorithm for the Numerical Modeling of Complex Diffusion Processes // Journal of Computational Physics. 2023. V. 186. № 2. P. 527. doi:10.1016/S0021-9991(03)00073-1.Ghoniem, Ahmed F., and Frederick S. Sherman. Grid-Free Simulation of Diffusion Using Random Walk Methods // Journal of Computational Physics. 1985. V. 61. № 1. 1985. P. 1. doi:10.1016/0021-9991(85)90058-0.Zabet M., Mishra S., Kundu S. Effect of graphene on the self-assembly and rheological behavior of a triblock copolymer gel // RSC Advances. 2015. № 5. Р. 83936. doi: 10.1039/c5ra13672e.Siripongpreda T., Jiraborvornpongsa N., Composto R.J., Rodthongkum N. Titanium dioxide/nitrogen-doped graphene-biopolymer based nanocomposite films for pollutant photodegradation and laser desorption ionization mass spectrometry of biomarkers // Nano-Structures & Nano-Objects. 2024. V. 38. Р. 101203.