Исследование физико-механических свойств аддитивно-производимых мета-биоматериалов для тканевой инженерии

Передовая инженерная школа СПбПУ «Цифровой инжиниринг» представила отчет о ходе выполнения проекта «Исследование физико-механических свойств аддитивно-производимых мета-биоматериалов для тканевой инженерии». Данный проект победил в Конкурсе на получение гранта Российского научного фонда (РНФ) по приоритетному направлению деятельности «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

Исследование ведет научная группа Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ (ИЦ ЦКИ СПбПУ), в которую входят ведущий научный сотрудник ИЦ ЦКИ, профессор, д.ф.-м.н. Леонид Маслов, руководитель направления «Прикладные исследования и разработки» ИЦ ЦКИ Михаил Жмайло, инженер-исследователь, аспирант Федор Тарасенко и другие сотрудники. Руководитель научной группы – профессор, к.т.н. Алексей Боровков, проректор по цифровой трансформации СПбПУ, руководитель Передовой инженерной школы СПбПУ «Цифровой инжиниринг», Научного центра мирового уровня СПбПУ «Передовые цифровые технологии», Центра компетенций НТИ СПбПУ и Инжинирингового центра (CompMechLab®) СПбПУ.

Проект предусматривает изучение механических и биофизических характеристик аддитивно производимых металлических мета-биоматериалов, предназначенных для применения в качестве заменителей костной ткани и элементов ортопедических имплантатов, и их перспективного применения в регенеративной медицине (или тканевой инженерии). Проект включает цифровое проектирование имплантатов с использованием новых перспективных мета-биоматериалов с настраиваемыми физико-механическими свойствами создаваемых каркасных структур, обеспечивающих эффективное врастание ткани в имплантат для замещения значительных дефектов костных элементов скелета человека.

Метаматериалы — это искусственные материалы, созданные с использованием микро- и наноструктур, которые обладают необычными оптическими, электрическими или механическими свойствами, недоступными для естественных материалов. В регенеративной медицине метаматериалы (мета-биоматериалы) привлекают внимание как потенциальные материалы для различных приложений, включая восстановление тканей и органов. Важнейшее применение мета-биоматериалов в тканевой инженерии — это создание трехмерных структур, таких как скаффолды, которые служат основой для регенерации тканей. Метаматериалы могут быть спроектированы таким образом, чтобы имитировать механические свойства естественных тканей. Например, они могут иметь определенные упруго-жесткостные свойства, что позволяет им более точно соответствовать механическим характеристикам восстанавливаемых тканей и органов.

«Значимость реализации проекта для создания в России передовых цифровых технологий и подходов к разработке высокотехнологичных медицинских изделий, в первую очередь, костных имплантатов, для медицины состоит в разработке единой компьютеризированной цепочки цифрового производства, включая компьютерное проектирование «за гранью интуиции главного конструктора, – рассказал Алексей Боровков. – Такой подход позволяет вести разработку лучших в своем классе имплантатов с точки зрения предъявляемых к ним конструкционных, прочностных и регенерационных требований. Это, в свою очередь, позволяет повысить эффективность лечения пациентов с травмами. Результаты имеют долгосрочные перспективы для новых наукоёмких разработок и создания продуктов на их основе, существенно улучшающих качество жизни людей».

Руководитель проекта подчеркнул, что все планируемые в отчетный период работы полностью выполнены, достигнуты научные результаты.

На первом этапе проекта по известным опубликованным данным проведен анализ современного состояния вопроса по ключевым направлениям исследований, заложенных в план НИР:

• Проведен критический обзор в области биомедицинских особенностей применения эндопротезов и скаффолдов на основе биосовместимых сплавов, в том числе мета-биоматериалов, в регенеративной медицине для восстановления крупных дефектов костных элементов опорно-двигательного аппарата человека.
• Исследованы математические подходы современной теории механобиологии для описания репаративной регенерации костной ткани.
• Проведен анализ существующих компьютерных методов проектирования метаматериалов на основе решетчатых и поверхностных структур.
• Проанализированы методики экспериментальных исследований применительно к изучению квазистатических и циклических упруго-прочностных свойств мета-биоматериалов на основе трехмерных периодических структур.

В результате разработаны основные положения методики построения компьютерных моделей трехмерных каркасных структур открытого типа на основе решетчатых и поверхностных структур. Для апробации разработанных подходов построены тестовые конечно-элементные модели ячеек периодичности метаматериалов на основе девяти типов минимальных трижды периодических поверхностей. Трехмерные численные модели ячеек периодичности образованы тетраэдральными линейными конечными элементами с первым порядком интерполяции перемещений. Характерный размер стороны конечного элемента составлял 0,1 мм.

Разработана концепция экспериментальных квазистатических и динамических исследований упругих, прочностных и циклических свойств мета-биоматериалов на основе трехмерных периодических структур. На основе проведенного анализа актуальных научных источников и с учетом основного направления комплексных исследований была сформулирована методика испытаний, состоящая из двух блоков: вычислительные эксперименты и натурные испытания.

1. Блок вычислительных экспериментов предполагает возможность рассмотрения обширного перечня различных типов мета-биоматериалов для целого ряда значений объемной доли для всех сценариев натурных испытаний. Применение виртуальных испытаний, подкрепленных результатами натурных тестов, позволяет значительно расширить объем получаемых данных для дальнейшего исследования.

2. Блок натурных экспериментов предполагает рассмотрение меньшего количества типов мета-биоматериалов с целью получения данных для валидации построенных вычислительных моделей и для выявления нетривиального деформационного поведения для повышения точности и адекватности вычислительных моделей. Для исследования в рамках натурных испытаний предполагается рассмотреть три типа элементарной ячейки для определения квазистатических свойств и два типа для циклических.

Разработана концепция и состав вычислительного и теоретического исследования влияния топологических параметров мета-биоматериалов на эффективность процесса остеоинтеграции на основе гипотез механобиологии.

Для снижения требований к вычислительным ресурсам основная часть исследований, представляющих собой расчеты с различными видами топологии метаматериала и значениями геометрических параметров, расчеты эффективных физико-механических свойств и математическое моделирование процессов регенерации костной ткани, планируется к проведению на мезоуровне метаматериала, соответствующим ячейке периодичности. На следующих этапах проекта планируется прямое конечно-элементное моделирование регенерации костной ткани в поровом пространстве мета-биоматериала на мезоуровне с помощью авторских компьютерных программ и универсальных конечно-элементных комплексов, реализующих теоретические модели и подходы вычислительной механобиологии.

Задачи проекта и промежуточные итоги были представлены на международных и всероссийских конференциях. Так, Федор Тарасенко в мае этого года выступил с докладом «Исследование физико-механических свойств аддитивно-производимых метабиоматериалов для тканевой инженерии» на Всероссийской акции «День без турникетов», которую поддержал Политех.

Инженер направления прикладных исследований и разработок ПИШ СПбПУ «Цифровой инжиниринг», студентка магистратуры ПИШ СПбПУ Лилия Нежинская представила доклад «Решение задачи оптимального распределения эффективной плотности метаматериала в эндопротезе тазобедренного сустава» на Международной конференции «Бионика-2023» (Москва).

Лилия принимала участие и в других конференциях с последующей публикацией докладов в сборниках научных трудов. В их числе – 51 школа-конференция «Актуальные проблемы механики» памяти Д.А. Индейцева (Великий Новгород), V Международный форум «Передовые цифровые и производственные технологии» (Санкт-Петербург), «Качество образования и устойчивое развитие – основа международного сотрудничества» (Санкт-Петербург). Запланировано участие в конференции «Физическая мезомеханика» (MESO 2024) 9-12 сентября 2024 года в Томске.

«Работа, выполняемая в рамках гранта РНФ, предполагает изучение механических, физико-биологических характеристик мета-биоматериалов. Это направление относительно новое и представляет собой широкий спектр исследований в областях механики материалов и биоинженерии. Мета-биоматериалы – пористые материалы с закономерной внутренней структурой, изменяя топологию которой, можно управлять свойствами материала на глобальном уровне и получать наиболее подходящие характеристики для применения в каждом конкретном случае, например, снизить массу изделия с минимальными потерями в его жесткости. Одним из направлений исследования предполагается рассмотрение метаматериалов как заменителей костной ткани. Например, градиентная структура метаматериала в ножке эндопротеза тазобедренного сустава позволяет получить наиболее рациональное распределение материала в металлическом имплантате и притом повысить качество остеоинтеграции за счет пористой структуры мета-биоматериала. Это новая и невероятно интересная область научных знаний, и я очень рада, что наша с коллегами работа актуальна, востребована и высоко оценена научным сообществом», – отметила Лилия Нежинская.

По результатам проекта в отчетном периоде был выпущен ряд публикаций:

1. Боровков А.И., Маслов Л.Б., Жмайло М.А., Тарасенко Ф.Д., Нежинская Л.С. (Borovkov A.I., Maslov L.B., Zhmaylo M.A., Tarasenko F.D., Nezhinskaya L.S.) Elastic properties of additively produced metamaterials based on lattice structures. Механика и физика материалов (2023 г.)

2. Боровков А.И., Маслов Л.Б., Жмайло М.А., Тарасенко Ф.Д., Нежинская Л.С. (Borovkov A.I., Maslov L.B., Zhmaylo M.A., Tarasenko F.D., Nezhinskaya L.S.) Finite element analysis of elastic properties of metamaterials based on triply periodic minimal surfaces. Механика и физика материалов (2024 г.)

Срок выполнения проекта оценивается в три года (2023-2025 гг.). По результатам каждого года будут подготовлены научные публикации.