Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Научно-исследовательская лаборатория механики биосовместимых материалов и устройств

Приглашенный ученый Зильбершмидт Вадим Владимирович Великобритания, Россия
Номер договора
075-15-2021-578
Период реализации проекта
2021-2023
44
Количество специалистов
9
научных публикаций
3
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация
Проект направлен на исследование и анализ физико-механических свойств, изучение механического поведения и биологического взаимодействия, а также на разработку методов мониторинга биосовместимых материалов, применяемых для производства имплантатов, скаффолдов тканевой инженерии, стентов и других биомедицинских устройств.

Название проекта: Механика биосовместимых материалов и устройств

Цели и задачи

Целью исследования является создание научных основ для разработки новых классов изделий пациент-ориентированной медицины с использованием биосовместимых материалов с оптимальными физико-механическими и биологическими свойствами, полученных с помощью аддитивных технологий. В задачи проекта входит:

  1. Разработка методов и подходов для описания физико-механического поведения и оценки свойств биоматериалов с контролируемой микроструктурой, созданных на основе аддитивных технологий;
  2. Разработка методов решения задач оптимизации топологической структуры, механических, транспортных и биологических свойств биоматериалов с учетом требований биосовместимости, параметров нагружения и окружающей среды;
  3. Изучение процессов биодеградации материалов и роста тканей в биологической среде;
  4. Создание моделей механического поведения живых тканей, процессов взаимодействия между живой и неживой материей при интеграции биоматериалов и устройств на их основе в организм человека;
  5. Разработка методов мониторинга механического состояния биоматериалов и устройств на их основе.

Практическое значение исследования

Планируемые результаты:

  • По итогам выполнения проекта будут разработаны новые подходы для численно-экспериментального исследования изменения свойств биоматериалов и биомедицинских изделий при их взаимодействии с живой тканью, созданы многомасштабные модели деформационного поведения и разрушения биоматериалов и изделий на их основе с учетом экспериментальной идентификации их физико-механических и морфологических характеристик, разработаны методологические основы экспериментальных исследований механического поведения биоматериалов, структурных элементов биомедицинских изделий характерного масштабного уровня, а также мягких тканей, усовершенствованы методики и подходы для создания биоматериалов и биомедицинских изделий на основе аддитивных технологий FDM и SLM;
  • Для реализации концепций мониторинга деформационного состояния биомедицинских изделий будут отработаны методики измерения температур и деформаций волоконно-оптическими датчиками, встроенными в биоматериалы, изготавливаемые 3D-печатью;
  • С целью исследования взаимодействия биосовместимых материалов с живой тканью и физиологической средой будут разработаны численные модели ткани, модели её взаимодействия с внедренными искусственными имплантатами, а также подходы для экспериментальной квантификации параметров этих моделей;
  • Будут получены новые экспериментальные данные о биосовместимости, биодеградации и биомеханических свойствах металлических и полимерных материалов, подверженных воздействию физиологических сред;
  • Разработанные подходы будут использованы для анализа, оптимизации структуры и свойств двух классов биомедицинских устройств – пористых скаффолдов для тканевой инженерии, а также эндоваскулярных стентов;
  • Будет разработана методика определения оптимальной структуры скаффолдов и стентов для их применения в конкретных приложениях, с учетом данных численных исследований и экспериментальных данных о поведении биоматериалов и изделий при различных видах нагружения и воздействии агрессивных сред.

научные результаты

·         Разработан универсальный способ создания моделей скаффолдов и их прототипов на основе ячеистых решетчатых структур открытого типа с возможностью управления их конечными физико-механическими свойствами за счет контролируемого изменения геометрии ячеек периодичности.Разработаны двухуровневые модели механического упругого и упругопластического поведения полимерных скаффолдов и их прототипов.Разработан оригинальный программный алгоритм для численной дискретизации двумерной поверхности и трехмерного объема решетчатых структур.Установлено влияние пористости и строения внутренней топологии на механическое поведение и свойства прототипов скаффолдов на основе открыто-ячеистых структур.Для решетчатых структур с различной геометрией выполнено сравнение полей деформаций, рассчитанных численно на основе созданных моделей и полученных экспериментально с использованием системы бесконтактного измерения деформаций на основе корреляции цифровых изображений.

·        Разработана структура и соотношения упруговязкопластической двухуровневой модели эндоваскулярного стента, в которой явным образом заложены физические механизмы и процессы на макро- и мезоуровне.Применена двухуровневая математическая модель упругопластического деформирования материала эндоваскулярного стента, явным образом учитывающая зеренную структуру.Исследовано влияние размеров зёрен на характер деформирования материала, была построена зависимость условного предела текучести от параметров логнормального закона распределения.Построена полярная диаграмма зависимости условного предела текучести от направления деформирования при наиболее опасном напряженном состоянии в конструкции стента, определены наиболее опасные направления деформирования в пространстве главных деформаций.Выполнено макроскопическое описание поведения конструкции стента с баллонным расширением при помощи вычислительного пакета COMSOL Multiphysics.

·        Синтезированы полиуретаны по рецептуре медицинского назначения, подготовлены образцы для формирования на их поверхности биосовместимого углеродного нанослоя с помощью ионно-плазменной обработки. Выполнена ионно-плазменная обработка поверхности образцов из медицинского полиуретана при разных дозах ионов азота с целью создания на их поверхности углеродного нанослоя. Отработан подход определения модуля Юнга биосовместимого углеродистого нанослоя, сформированного в результате ионно-плазменной обработки полимеров. Получены зависимости упругого модуля углеродного слоя на полиуретанах от флюенса ионно-плазменной обработки. Предложена экспериментальная методика определения зависимости коэффициента температурного расширения (КТР) полимерных биоматериалов от температуры и скорости её изменения с использованием пленочных образцов.Впервые получены аналитические зависимости, описывающие зависимость КТР от температуры для некоторых видов полимерных материалов.

·        Созданы пробные образцы пористой структуры скаффолдов из материалов полиэфирэфиркетон (PEEK), полилактид (PLA), полиэтилентерефталатгликоль (PETG Biocide), акрилонитрилбутадиенстирол (ABS), полистирол (HIPS). Изучено влияние параметров печати, диаметра сопла экструдера, а также направление укладки слоев при печати на результирующие механические свойства и прочность стандартных сплошных образцов в виде лопаток.Получены экспериментальные образцы-имитаторы медицинских стентов методом SLM (селективного лазерного сплавления).На основе экспериментальных данных проведена верификация созданных численных моделей.

·        Отработана методика культивирования клеток в присутствии образцов полимерного материала. Сформированы рекомендации по модификации поверхности, способствующей лучшей адгезии клеток. По результатам исследований выявлены образцы, к которым наблюдается лучшая адгезия исследуемых клеточных линий. Получены заключения о способности полимерных материалов индуцировать гемолиз эритроцитов и их влияние на разрушение мембраны эритроцитов. Разработана методика определения механических характеристик образцов коллагена.

·        Создан и численно реализован алгоритм, позволяющий эффективно восстанавливать трехмерную структуру биоматериалов на различных масштабных уровнях по данным компьютерной томографии. Построены объемные конечно-элементные аналоги органов и структур по данным томографических образов, которые будут использованы для моделирования процессов разрушения и совместного деформирования систем протезирования и костной ткани.

·        Предложен подход к созданию биоматериалов и биомедицинских изделий на основе технологий аддитивной печати FFF с бесконтактным косвенным (вихретоковым) контролем температуры в процессе экструзии. Создана математическая модель, связывающая электромагнитные и тепловые процессы индукционного нагрева сопла, которая позволяет определить параметры индуктора и сопла как объекта управления, оценить влияние скорости экструзии на температуру сопла и полимера. Отработан технологический подход FFF печати с индукционным нагревом сопла малой массы, повышающий равномерность нагрева, точность и скорость управления температурой экструзии полимера при наплавке, и, как следствие, механические свойства наплавленных образцов. Создана математическая модель термомеханического поведения конструкций из биосовместимых термопластиков в процессе послойного наплавления. Разработан алгоритм расчета нестационарных температурных полей и напряженно-деформированного состояния конструкции в процессе ее послойного формирования, реализованный в виде программы на APDL пакета ANSYS.

·        Отработано применение технологии электролитно-плазменного полирования на основе электролита фторида калия в качестве финишной операции обработки поверхностей. Получены заключения о целесообразности применения технологии электролитно-плазменного полировании в качестве операции финишной обработки поверхности стента и необходимости проведения дальнейших исследований.

·        Разработан вариант измерения показателей поля температуры датчиками, встроенными в материал. Продемонстрирована возможность получения информации о технологических температурах и деформациях в материале образца.

- Внедрение результатов исследования

1.       Программа ЭВМ «Вычислительный модуль для создания геометрических моделей для трехмерных градиентных взаимопроникающих структур на основе трижды периодических минимальных поверхностей типа «Гироид».

2.       Программа ЭВМ «Вычислительный модуль для создания геометрических моделей для трехмерных градиентных взаимопроникающих структур на основе трижды периодических минимальных поверхностей типа «I-WP».

3.       Изобретение «Способ косвенного вихретокового резонансного контроля и измерения температуры изделий из ферромагнитных материалов».

- Образование и переподготовка кадров

Разработана и реализуется новая образовательная программа по профилю программы магистратуры «Динамика и прочность машин, конструкций и механизмов».

Сотрудничество

Выполняются совместные исследования с Институтом механики сплошных сред УрО РАН в области создания прототипов устройств с использованием аддитивных технологий, исследования моделей материалов на основе компьютерной томографии, функционализации поверхностей полимерных материалов, адаптации технологий встроенного неразрушающего измерения температуры и деформаций.Oskolkov A., Bezukladnikov I., Trushnikov D.

Скрыть Показать полностью
Oskolkov A., Bezukladnikov I., Trushnikov D.
Indirect temperature measurement in high frequency heating systems // Sensors (Q1). – 2021. – Vol. 21, № 7. doi: https://doi.org/10.3390/s21072561;
Shardakov I.N., Trufanov A.N.
Identification of the temperature dependence of the thermal expansion coefficient of polymers // Polymers (Q1). – 2021. – Vol. 13, № 18. doi: https://doi.org/10.3390/polym13183035;
Elenskaya N., Tashkinov M.
Modeling of Deformation Behavior of Gyroid and I-WP Polymer Lattice Structures with a Porosity Gradient // Procedia Struct. Integr. – 2021. – Vol. 32. – pp. 253–260. doi: 10.1016/j.prostr.2021.09.036;
Ablyaz T.R., Shlykov E.S. and Muratov K.R.
The Use of Electrode Tools Obtained by Selective Laser Melting to Create Textured Surfaces // Materials (Q1). – 2022. – Vol. 15. – 4885. doi: https://doi.org/10.3390/ma15144885;
Oskolkov A.A., Bezukladnikov I.I., Trushnikov D.N.
Rapid Temperature Control in Melt Extrusion Additive Manufacturing Using Induction Heated Lightweight Nozzle // Applied Sciences (Q2). – 2022. – Vol.12. – 8064.https://doi.org/10.3390/app12168064;
Smotrova E., Li. S, Silberschmidt V.V.
Mechanoregulated trabecular bone adaptation: Progress report on in silico approaches // Biomaterials and Biosystems. –– 2022. – Vol. 7. – 100058. ISSN 2666-5344, https://doi.org/10.1016/j.bbiosy.2022.100058;
Shilov S.Y., Rozhkova Y.A., Markova L.N., Tashkinov M.A., Vindokurov I.V., Silberschmidt V.V.
Biocompatibility of 3D-Printed PLA, PEEK and PETG: Adhesion of Bone Marrow and Peritoneal Lavage Cells // Polymers (Q1). – 2022. – Vol. 14 – 3958. https://doi.org/10.3390/polym14193958;
Volegov P.S., Knyazev N.A., Gerasimov R.M., Silberschmidt V.V.
Inelastic Deformation of Coronary Stents: Two-Level Model // Materials. – 2022. – Vol. 15 – 6948. https:// doi.org/10.3390/ma15196948.
Еленская Н. В., Ташкинов М.А., Зильбершмидт В.В.
Численное моделирование деформационного поведения полимерных решетчатых структур с градиентом пористости, изготовленных на основе аддитивных технологий // Вестник Санкт-Петербургского университета. Математика. Механика. Астрономия. 2022. Т. 9 (67). Вып. 4. С. 679–692. https://doi.org/10.21638/spbu01.2022.410.
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория «Цифровизация, анализ и синтез сложных механических систем, сетей и сред»

Институт проблем машиноведения РАН - (ИПМаш РАН)

Механика и машиностроение

Санкт-Петербург

Фридман Эмилия Моисеевна

Израиль, Россия

2021-2023

Лаборатория нелинейного анализа и конструирования новых средств передвижения

Удмуртский государственный университет - (УдГУ)

Механика и машиностроение

Ижевск

Трещев Дмитрий Валерьевич

Россия

Килин Александр Александрович

Россия

2010-2012

Лаборатория «Физика прочности и интеллектуальные диагностические системы»

Тольяттинский государственный университет - (ТГУ)

Механика и машиностроение

Тольятти

Виноградов Алексей Юрьевич

Россия

2010-2014