Научно-исследовательская лаборатория механики биосовместимых материалов и устройств

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:

Институт механики сплошных сред Уральского отделения Российской академии наук (Россия): совместные исследования 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.