Научные результаты:
Разработаны методики подготовки образцов тканей зуба для дальнейшего исследования их микромеханических свойств. Проведено исследование микроструктуры тканей полости рта. Для этой цели были использованы растровый электронный, атомно-силовой, оптический микроскопы, компьютерный микротомограф, медицинский рентгеновский аппарат и другое оборудование. Исследованы структурные элементы зуба. Произведено сравнение результатов с результатами, известными в литературе, что позволяет судить об успешности пробоподготовки и пригодности образцов для дальнейшего исследования на индентометре. Получены образцы здоровых зубов и зубов со следами начальной стадии кариеса. Микроскопическое и микротомографическое исследование одного из образцов зубов выявило наличие области деминерализации («белого» пятна).
Методом наноиндентирования проведено исследование механических характеристик различных частей зуба — эмали, дентина, цемента, дентиноэмалевой границы. Разработана схема эксперимента, обеспечивающая смачивание образца в процессе эксперимента, что исключает разрушение структуры зуба в процессе длительного исследования образца в индентометре.
Разработаны математические модели, описывающие процессы индентирования образцов твердых тканей полости рта на основе постановки и решения контактных задач о внедрении индентора в однородную и неоднородную деформируемые среды. Осуществлена постановка и построены решения специальных задач по определению упругих модулей материалов из результатов индентирования. Проведено сравнение результатов теоретических исследований с экспериментальными данными для образцов с заранее известными свойствами. Получено хорошее согласование результатов, что позволяет говорить об эффективности построенных математических моделей. Разработана методика определения упругих свойств биологических материалов при наличии неоднородной приповерхностной структуры и при существенном отличии свойств исследуемого образца от свойств подложки и индентора.
Данные результаты представляют собой основу для разработки методики определения свойств неоднородных пороупругих и жидконасыщенных тканей.
Исследование механических свойств зуба проходило в тесном сотрудничестве с кафедрой стоматологии № 2 Ростовского государственного медицинского университета. Результаты исследования механических характеристик здорового и деминерализованного участков зуба были использованы для исследования технологий лечения и профилактики кариеса.
Проведено исследование микроструктуры мягких биологических тканей глазного яблока. Для этой цели были использованы компьютерный микротомограф, растровый электронный, атомно-силовой, оптический микроскопы. Впервые на лабораторном микротомографе исследован образец глаза человека. Проведено сравнение с литературными данными, полученными с помощью оптического микроскопа, в том числе на клеточном уровне с применением методов гистологии. Апробирована методика пробоподготовки образца мягких тканей для исследования в компьютерном микротомографе.
Разработан образец (фантом) для калибровки плотности относительно уровня серого на объёмном изображении (томограмме). С помощью данного образца становится возможным определение распределения плотности в объёме материала образца, исследуемого в микро-КТ, в диапазоне от 1,6 до 4,5 г/см3, что соответствует твердым биологическим тканям и образованиям (костная ткань, эмаль, цемент и дентин зуба). Также разработано устройство позиционирования фантома относительно исследуемого образца микро-КТ. Отправлены заявки на выдачу патентов на изобретения и полезные модели. Сведения о распределении плотности в объёме материала позволили произвести уточнение распределения механических характеристик в объёме зуба.
Разработаны математические модели, описывающие процессы индентирования образцов мягких жидконасыщенных биологических тканей, на основе постановки и решения контактных задач о внедрении индентора в пористую среду в рамках теории консолидации. Решение поставленных контактных задач теории консолидации осуществлено аналитическими, асимптотическими и численными методами. Также разработана методика оценки пороупругих свойств биологических материалов на основе результатов наноиндентирования.
Осуществлено моделирование разрушения в биологических слоистых тканях и идентификации межслойных отслоений. Для этой цели разработана теоретическая модель, основанная на решении некорректных задач теории упругости в плоской и трехмерной постановках. Рассмотрен ряд задач, возникающих при моделировании разрушения искусственных и живых биологических тканей при нагрузках специального вида. Показано, что описание механического поведения и разрушения биологических тканей целесообразно проводить, опираясь на подходы, принятые для слоистых сред. При этом наиболее актуальными являются задачи идентификации межслойных отслоений и определения действующих в них нагрузок, которые относятся к некорректным задачам теории упругости. Полученные результаты могут быть применены при разработке технологии идентификации расслоений в биологических тканях, например, в сетчатке.
Создана база данных о свойствах биологических тканей и искусственных материалов с целью их систематизации и сравнения с результатами, полученными в ходе выполнения проекта. На основе базы данных разрабатывается программный продукт для подбора искусственных материалов для замены живых тканей.
При выполнении запланированных работ получен ряд результатов, не имеющих аналогов в мире. Так, проведено исследование образца передней камеры глаза человека методом рентгеновской микротомографии с помощью лабораторного микро-КТ. Получены решения ряда новых контактных задач об индентировании в рамках теорий консолидации и пороупругости.
К внедрению полученных результатов проявили интерес представители Стоматологической поликлиники Ростова-на-Дону и кафедры офтальмологии Ростовского государственного медицинского университета. Результаты исследований микроструктуры, пористости и механических свойств зуба человека будут использованы для исследования эффективности технологий лечения и профилактики кариеса. Предполагается, что полученные данные о микроструктуре тканей глазного яблока будут использованы для усовершенствования конструкций имплантатов.
Построены модели индентирования пороупругих и жидконасыщенных искусственных биосовместимых материалов и биологических тканей на основе решений контактных задач теории упругости, теории консолидации и теории пороупругости. Проведено конечно-элементное моделирование процесса индентирования мягких биологических тканей. Исследовано напряженно-деформированное состояние и особенности процесса индентирования мягких жидконасыщенных тканей.
Построена математическая модель напряженного состояния в окрестности естественных неровностей окклюзионной поверхности зуба для оптимизации профиля искусственных материалов (коронок и протезов). Проведено сравнение расчетов с экспериментальными данными – полями плотности минерализации зубов человека с фиссурным кариесом на разных стадиях.
Разработана математическая модель взаимодействия наконечника ленсотома (инструмента для удаления поврежденного хрусталика) с пьезоэлектрическим подводом и биологической ткани. Построены и исследованы математические модели различных конструкций интраокулярных линз для замены поврежденного хрусталика. На основе результатов моделирования разработана оптимизированная конструкция интраокулярных линз для установки в капсулярном мешке хрусталика. Построены и исследованы математические модели различных конструкций кератопротезов для замены поврежденного участка роговицы. На основе результатов моделирования разработана оптимизированная конструкция кератопротеза.
Построены модели, описывающие деформацию внешней оболочки глаза (склеры) и изменения внутриглазного давления (ВГД) после введения определенного объема инъекций в стекловидное тело. Проведены оценки изменения тонометрического ВГД, полученные на основании математических моделей, построенных для нескольких типов тонометра. Проведены оценки влияния геометрических параметров и ортотропии пластины, сферической или пологой оболочки на величину критической нагрузки. Построены математические модели, описывающие эластотонометрию после операций по коррекции гиперметропии методами LASIK и FemtoLASIK. Проведен анализ влияния неоднородности роговицы, связанной с операциями по коррекции гиперметропии на поведение эластокривой.
Получены сведения о микроструктуре и физико-механических свойствах искусственных биосовместимых материалов и покрытий, изготовленных различными методами. Проведено сравнение свойств естественных тканей зуба человека в здоровом и патологическом виде со свойствами стоматологических материалов. Оценено влияние различных методик лечения на изменение плотности прилегающих тканей зуба человека.
Проведено математическое моделирование процесса индентирования жидконасыщенных пороупругих материалов, имитирующих мягкие упругие биологические ткани глазного яблока и полости рта. Выполнены математические постановки контактных задач об индентировании жидконасыщенных пороупругих сред с учетом двух неизвестных функций в области контакта, характеризующих упругие и жидкостные свойства индентируемой среды в 2D и 3D случаях, сводящиеся к системе двух двумерных интегральных уравнений с двумерными ядрами от разности переменных по координате и времени. Предложены аналитические методы решения полученной системы двух двумерных интегральных уравнений. Построено решение задачи и выполнен его анализ. Получены конечно-элементные решения контактных задач об индентировании водонасыщенного пороупругого материала, в том числе анизотропного слоистого с различной степенью пористости при учете различных граничных условий на поверхности.
Разработано оборудование для проведения in situ микроиндентирования в микротомографе, создана методика обработки и интерпретации результатов, в том числе описаны протоколы исследования процесса индентирования в микротомографе, оснащенном микро/наноиндентометром с целью измерения геометрических и физических параметров индентирования, таких как: область контакта, величины осадки поверхности образца вне области контакта и др., а также протоколы обработки полученной в микротомографе визуальной информации на основании проекционных изображений и реконструированных объёмных изображений.
Проведен ряд экспериментальных исследований биологических и биосовместимых материалов. Были получены механические свойства биосовместимых конструкций (полимерных скаффолдов) в зависимости от их структуры, данные о механических свойствах искусственных пороупругих жидконасыщенных материалов по результатам индентирования, величины области контакта, формы осадки поверхности вне контакта, измеренные экспериментально из результатов in situ испытаний в микротомографе с целью уточнения методик по определению упругих модулей по результатам индентирования.
Решен ряд практически значимых прикладных медицинских задач с использованием разработанного теоретического аппарата. Построены математические модели окклюзионной поверхности зуба, основанные на решении задач о напряженно-деформированном состоянии эмали в вершине фиссуры (при наличии трещины и без нее), моделируемой развернутым клином. Построены математические модели взаимодействия кератопротезов различных конструкций с глазным яблоком для выбора наиболее безопасных конструкций по форме и упругим свойствам гаптики с позиции первичного отторжения протеза. Построены математические модели для оценки изменения внутриглазного давления (ВГД) после проведения интравитреальных инъекций и модели измерения ВГД после проведения операций по коррекции зрения с учетом нелинейных свойств материала.
Разработан ряд уточненных моделей упругости и пороупругости. Решен ряд модельных начально-краевых задач в случае малых и конечных деформаций в рамках обобщенных моделей пороупругости. Построены математические модели гибкой мягкой оболочки при учете конечных деформаций и фильтрации жидкости с целью моделирования биологических оболочек (склера глаза и др.). Разработаны математические модели инициирования и развития разрушения в кусочно-однородных слоистых пороупругих средах, основанных на методах интегральных уравнений. Разработана математическая модель контакта мягкой оболочки с твердым телом с учѐтом трения при больших деформациях оболочки с целью оценки влияния трения при контакте тонкостенных конструкций из высокоэластичных материалов, в том числе биологических оболочек.
Обобщены результаты исследований биологических и биосовместимых материалов, оптимизированных конструкций биосовместимых материалов и изделий.
Внедрение результатов исследования:
Результаты исследования легли в основу следующих изобретений, программ для ЭВМ:
- Кератопротез комбинированный Епихина А.Н.: патент на изобретение № 2707646 Рос. Федерация /Епихин А.Н.; заявитель и правообладатель: Донской государственный технический университет. – заявл. № 2018146759 от 27.12.2018, зарег. 28.11.2019 г.
- Устройство фиксации и рассечения биологических тканей для изготовления и имплантации кератопротеза комбинированного: патент на изобретение № 2704565 Рос. Федерация /Епихин А.Н.; заявитель и правообладатель: Донской государственный технический университет. – заявл. № 2018146782 от 27.12.2018, зарег. 29.10.2019 г.
- Устройство 3D визуализации деформационного состояния поверхности материала в области упругих деформаций: патент на изобретение № 2714515 Рос. Федерация /Николаев А.Л., Сукиязов А.Г., Зеленцов В.Б., Садырин Е.В., Айзикович С.М.; заявитель и правообладатель: Донской государственный технический университет. – заявл. №2019126330 от 21.08.2019, зарег. 18.02.2020 г.
- Устройство позиционирования калибровочного фантома при исследованиях микроструктуры биологических объектов: патент на изобретение № 2731412 Рос. Федерация /Садырин Е.В., Сукиязов А.Г., Николаев А.Л., Митрин Б.И., Васильев А.С.; заявитель и правообладатель: Донской государственный технический университет. – заявл. № 2020101530 от 16.01.2020, зарег. 02.09.2020 г.
- Способ фиксации кадаверного цельного глазного яблока и его секционных фрагментов при рентгеновской компьютерной микро и нанотомографии и устройство для его осуществления: патент на изобретение № 2715926 Рос. Федерация /Епихин А.Н., Митрин Б.И., Садырин Е.В., Топоркова Н.А.; заявитель и правообладатель: Донской государственный технический университет. – заявл. № 2019129833 от 23.09.2019, зарег. 04.03.2020 г.
- Способ измерения области контакта индентора с поверхностью образца: патент на изобретение № 2771063 Рос. Федерация /Николаев А.Л., Садырин Е.В., Зеленцов В.Б., Голушко И.Ю., Кутепов М.Е.; заявитель и правообладатель: Донской государственный технический университет. – заявл. № 2021116397 от 07.06.2021, зарег. 25.04.2022 г.
- Расчет смещений свободной поверхности покрытия, лежащего на упругой подложке, при индентировании: св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2021667825 Рос. Федерация /Волков С.С., Васильев А.С., Николаев А.Л.; заявитель и правообладатель: Донской государственный технический университет. – заявл. № 2021666873 от 27.10.2021г., зарег. 03.11.2021.
- Способ морфометрической оценки патологических состояний сетчатки и хориоидеи по сканограммам оптической когерентной томографии глаза: патент на изобретение № 2021124660 Рос. Федерация // Епихин А.Н., Бондаренко Ю.Ф., Долгов В.В., Филипенко В.А.; заявитель и правообладатель: Донской государственный технический университет. – заявл. № 2021124660 от 19.08.2021 г.
- База данных материалов для промышленности и медицины: св-во о гос. регистрации базы данных № 2019621772 / Литвиненко А.Н., Айзикович С.М., Митрин Б.И.; заявитель и правообладатель: Донской государственный технический университет. – заявл. № 2019621660 от 24.09.2019, зарег. 14.10.2019 г.
- Расчет смещений свободной поверхности покрытия, лежащего на упругой подложке, при индентировании: св-во о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2021667825 Рос. Федерация / Волков С.С., Васильев А.С., Николаев А.Л.; заявитель и правообладатель: Донской государственный технический университет. – заявл. № 2021666873 от 27.10.2021г., зарег. 03.11.2021 г.
Образование и переподготовка кадров:
Созданы учебные пособия:
- Садырин Е.В., Айзикович С.М., Зеленцов В.Б., Митрин Б.И. Использование сферического индентора и многоточечного метода анализа результатов наноиндентирования для экспериментального определения локальных механических характеристик поверхности: практикум для студентов-магистрантов / Е.В. Садырин, С.М. Айзикович, В.Б. Зеленцов, Б.И. Митрин; Донской гос. техн. ун-т. – Ростов-на-Дону: ДГТУ, 2018. – 30 с. Издательский центр ДГТУ, 2017. – 29 с.
- Садырин Е.В., Свэйн М.В., Айзикович С.М., Соловьев А.Н. Пробоподготовка фронтального среза зуба человека для исследования локальных механических свойств эмали и дентина: практикум для студентов-магистрантов / Е.В. Садырин, М.В. Свэйн, С.М. Айзикович, А.Н. Соловьев. – Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2019. – 16 с.
- Садырин Е.В., Свэйн М.В., Айзикович С.М., Соловьев А.Н. Определение механических свойств. Калибровка шкалы плотности в рентгеновской компьютерной микротомографии: практикум для студентов-магистрантов / Е.В. Садырин, М.В. Свэйн, С.М. Айзикович, А.Н. Соловьев. – Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2020. – 25 с.
- Садырин Е.В., Свэйн М.В., Айзикович С.М., Соловьев А.Н. Определение механических свойств. Калибровка шкалы плотности в рентгеновской компьютерной микротомографии: практикум / Е.В. Садырин, М.В. Свэйн, С.М. Айзикович, А.Н. Соловьев. – Ростов-на-Дону: Издательский центр ДГТУ, 2021. – 24 с.
Сотрудничество:
Институт тепло- и массообмена им. А.В. Лыкова Национальной академии наук Беларуси (Беларусь), National Cheng Kung University (Тайвань), Университет Сан-Паулу (Бразилия), Institute of Biodiversity and Ecosystem Research at the Bulgarian Academy of Sciences (Болгария), Первый Московский государственный медицинский университет имени И.М. Сеченова Министерства здравоохранения Российской Федерации (Сеченовский Университет), Институт живых систем Северо-Кавказского федерального университета, Ростовский государственный медицинский университет Министерства здравоохранения Российской Федерации, Южный федеральный университет (Россия): совместные исследования.
