Мегагрант (2021-2023)

Общая информация по научному исследованию

Приоритетное направление научно-технического развития Российской Федерации:

Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта.

Область наук:

Механика и машиностроение

Направление (тема) научного исследования:

Механика биосовместимых материалов и устройств

Ключевые слова:

Биосовместимые материалы, биомеханика, биодеградация, аддитивные технологии, физико-механические свойства, мониторинг состояния, механика роста, неоднородные среды.

Цель проекта

Cоздание 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.

Задачи проекта

Разработка методов решения задач оптимизации топологической структуры, механических, транспортных и биологических свойств биоматериалов с учетом требований биосовместимости, параметров нагружения и окружающей среды.
Изучение процессов биодеградации материалов и роста тканей в биологической среде.
Создание моделей механического поведения живых тканей, процессов взаимодействия между живой и неживой материей при интеграции биоматериалов и устройств на их основе в организм человека.
Разработка методов мониторинга механического состояния биоматериалов и устройств на их основe.

Разработка методов и подходов для описания физико-механического поведения и оценки свойств биоматериалов с контролируемой микроструктурой, созданных на основе аддитивных технологий.

результаты проекта

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. Были 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 при 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.

За время выполнения проекта, сотрудниками лаборатории защищено 3 диссертации на соискание ученой степени доктора наук, и 3 диссертации на соискание ученой степени кандидата наук. Кроме того, 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».