Научно-исследовательская лаборатория механики биосовместимых материалов и устройств

Научные результаты:

• Предложена расширенная двухуровневая статистическая модель неупругого деформирования для описания механического поведения мультикристаллического материала из сплава 316L коронарного стента.
• Разработана 2-D вершинная математическая модель роста клеток в порах перфузионного биореактора, через который закачивается питательный раствор.
• Предложены методы моделирования отдельных этапов процесса деградации (поверхностной или объемной), которые выступают в роли вспомогательного инструмента, дополняющие существующие динамические модели деградации структур и позволяют расширить представление об индивидуальном вкладе поверхностной и объемной деградации в механическое поведение структуры.
• Разработана модель множественного развития трещин в структурных элементах скаффолда на основе алгоритмов определения зон концентрации напряжений и подходов кластерного анализа. Проведенный анализ продемонстрировал значительные различия в механических свойствах и эксплуатационных характеристиках скаффолдов с различным дизайном, но одинаковым уровнем пористости.
• Изучены наиболее перспективные подходы для описания процесса адаптации кости, которые включают в себя различные аспекты реального процесса, что позволяет подобрать оптимальный подход для моделирования конкретных сценариев нагрузки.
• Разработана система дизайна микроструктур с использованием генетического алгоритма и анализа распределений свойств. Найдены оптимальные гиперпараметры для генерации микроструктур, которые доставляют требуемый механический отклик, основанный на напряжениях в конечных элементах и их объеме.
• Разработаны периодические структуры на основе ТПМП с учетом морфометрических характеристик референтной модели костной ткани. Выявлен ряд моделей, которые оптимальным образом имитируют кость по механическим и усредненным морфометрическим характеристикам.
• Исследовано влияния функционального градиента на морфометрические и механические свойства костных скаффолдов. Разработаны модели скаффолдов, предназначенные для замещения костной ткани в области переходной трабекулярно-кортикальной зоны. Предложен подход для проектирования структур с градиентом морфологии.
• Проведено теоретическое исследование проницаемости пористых чипов, включенных в перфузионный биореактор для выращивания тканей. Построены несколько видов пористых материалов с градиентом пористости в направлении течения на основе трижды периодических минимальных поверхностей.
• Разработана математическая модель процесса 3D-печати методом послойного наплавления с применением в алгоритме численной реализации оперативного управления. Модель верифицирована при помощи натурного эксперимента по наплавке образцов из полилактида и данных термографии.
• По результатам комплексного экспериментального исследования аддитивно-изготовленных образцов полилактида установлено влияние скорости деформации на значения предела прочности и модуля упругости.
• На основе результатов измерения деформаций волоконно-оптическими датчиками верифицированы механические характеристики термопластичных материалов, используемых для трехмерной печати структурных элементов экзопротезов.
• С использованием результатов томографии определены дефекты, возникающие в процессе аддитивного производства, а также воздействия физиологических сред, которые могут оказывать влияние на механические характеристики таких структур.
• Изучены многостадийные процессы деградации биосовместимых полимерных материалов в физрастворе и дистиллированной воде при различных температурах.
• Оценены морфологические особенности и жесткостные характеристики поверхности полилактида в зависимости от дозы ионов плазменной обработки. Установлено, что угол потока ионов существенно влияет на распыление полилактида, что может отобразиться на физико-механических характеристиках и морфологии поверхности материала.
• Отработан методический подход оценки биосовместимости образцов с окрашиванием адгезированных клеток липофильным флуорохромом PKH26 in situ, который позволяет количественно оценить адгезию клеток к полимерным материалам.
• Разработана методика структурно-топологического проектирования тазобедренных эндопротезов с пористой структуры.
• Получены данные о вязком характере разрушения трехмерных моделей ячеистых скаффолдов из порошка Ti6Al4V с локальными элементами, характерными для хрупкого излома.
• Разработана методология дизайна трехмерных микроструктур пористых материалов с оптимальными свойствами на основе нейронной сети StyleGAN2.

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».

Организационные и инфраструктурные преобразования:

Создана научно-исследовательская лаборатория, в которую приобретено научно-исследовательское оборудование общей стоимостью более 75 млн. руб, в том числе:

1. Комплекс для механических испытаний и анализа напряженно-деформированного состояния биосовместимых материалов.
2. Роботизированная ячейка для многоосевой 3D печати и выкладки термопластичного композиционного материала.
3. Сканирующий электронный микроскоп Coxem EM-30 Plus.
4. Биопринтер Dr. INVIVO 4D2.

Образование и переподготовка кадров:

За время выполнения проекта, сотрудниками лаборатории защищено 3 диссертации на соискание ученой степени доктора наук, 3 диссертации на соискание ученой степени кандидата наук. Также по тематике проекта защищено 4 диплома бакалавра и 4 магистерские диссертации. 14 сотрудников лаборатории прошли повышение квалификации в ведущих российских научных организациях.

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

Разработана и запущена новая образовательная программа аспирантуры «Механика биоматериалов».

Сотрудничество:

• Балтийский федеральный университет им. Иммануила Канта;
• Саратовский национальный исследовательский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского;
• Северо-Восточный федеральный университет им. М.К. Аммосова;
• Пермский государственный медицинский университет им. акад. Е.А. Вагнера;
• Пермский федеральный исследовательский центр Уральского отделения Российской академии наук;
• Политехнический колледж Института прикладных исследований Абу-Даби (ОАЭ);
• Университет имени султана Кабуса (Оман).