Для расширения кровеносных сосудов и поддержания достаточного потока крови в организме человека врачи используют коронарные стенты, изготовленные из металлических сплавов и биополимеров. Наиболее частой проблемой при эксплуатации данного медицинского устройства является его перелом с последующим повреждением артерий. Чтобы управлять свойствами изделий и уметь задавать их структуру, ученые Пермского Политеха разработали двухуровневую математическую модель поддерживающего «каркаса» и на макроскопическом уровне (на уровне зерен стали, из которой он изготовлен) выявили наиболее опасные виды деформирования при раскрытии стента с баллонным расширением внутри сосуда. Полученная технология предотвратит разрушение в процессе установки в орган и поможет устройствам оставаться долговечными при дальнейшем функционировании, решая тем самым важнейший вопрос биомеханики.
Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом журнале «Materials» 2022 года. Исследование ученых ведется в рамках программы по Постановлению Правительства РФ №220, так называемые «Мегагранты», договор № 075-15-2021-578 от 31.05.2021, и при поддержке РФФИ и Пермского края. Разработка выполнена в рамках Программы академического стратегического лидерства «Приоритет-2030».
Установка стента — специального каркаса, который помещается в просвет полых органов человека или животного, — обеспечивает расширение участка, суженного патологическим процессом. Зачастую стенты при раскрытии внутри сосуда деформируются и могут быть повреждены вплоть до полного разрушения. Чтобы устранить основные направления перелома части конструкции, политехники построили двухуровневую матмодель биосовместимого устройства из нержавеющей стали и изучили влияние размера зерен, из которых оно состоит, на характер деформирования.
— Моделирование было выполнено с помощью программы, в которой заложены физические механизмы и процессы деформирования на макро- и мезоуровне. Рассматривая фрагмент стента из стали, мы установили, что он состоит из примерно 350 зерен, а ориентация их кристаллических решеток в пространстве задается по случайному равномерному закону распределения, — поделился младший научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ Роман Герасимов.
— Исследование показало, что, нижняя часть «каркаса» для сосудов раскрывается значительнее, нежели середина, а верхняя часть не раскрывается. Оказалось, что одним из критически важных факторов для развития процессов разрушения станта является средний размер зерен в поликристалле и может варьироваться от 10 до 30 микрометров, — сообщил проректор по приоритетным проектам ПНИПУ, доцент факультета прикладной математики и механики Павел Волегов.
Полученные на макро- и мезоскопическом уровне данные позволят биотехнологам управлять свойствами изделий, задавать их структуру, предотвращая тем самым разрушения в процессе установки в сосуд человека.
По словам ученых, биомедицина переходит к решениям, направленным на потребности конкретных пациентов. Технология значительно улучшит восстановление сердечно-сосудистых тканей и рекомендуется пациентам с ишемической болезнью сердца, стенокардией, атеросклерозом сосудов, пред- и постинфарктным состоянием, а также риском возникновения сердечной недостаточности.
Для справки:
Пермский Политех стал обладателем гранта «Приоритет 2030» в 2021 году. Его размер составил 100 млн рублей. «Приоритет 2030» является самой масштабной в истории России программой государственной поддержки и развития высших учебных заведений. Ее цель — формирование к 2030 году в России более 100 прогрессивных современных университетов, которые станут центрами научно-технологического и социально-экономического развития страны. Всего комиссия Минобрнауки РФ включила в программу «Приоритет 2030» 106 вузов из 49 городов страны, из них 60 % — региональные университеты.