Цифровая платформа по разработке и применению цифровых двойников CML-Bench®
Уникальный онлайн-курс «Цифровые двойники изделий»
События 12 Апреля 2023 года
Данная новость была прочитана 1837 раз

Проект научной группы Алексея Боровкова, посвященный исследованию физико-механических свойств аддитивно-производимых мета-биоматериалов, выиграл грант Российского научного фонда

Проект Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ) «Исследование физико-механических свойств аддитивно-производимых мета-биоматериалов для тканевой инженерии» победил в Конкурса 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.

Всего в рамках конкурса поддержано 585 проектов, которые будут реализованы в 2023-2025 годах с последующим возможным продлением срока выполнения на один или два года. Полный перечень опубликован на официальном сайте РНФ. Размер гранта – до 7 млн рублей ежегодно.

В списке победителей – пять проектов ученых, представляющих СПбПУ
  • Проект «Оптические явления в полупроводниковых микро- и наноструктурах в сильных электрических полях» (руководитель Винниченко М. Я.);
  • Проект «Твердотельный аккумулятор с литиевым анодом» (руководитель Максимов М. Ю.);
  • Проект «Научно-технологические основы аддитивного формирования изделий из магнитотвердых материалов на основе металл-полимерных композиций» (руководитель Мазеева М. К.);
  • Проект «Приоритизация ключевых генов устойчивости к фузариозному увяданию льна и разработка тест системы для диагностики этого патогена в почве и растении» (руководитель Рожмина Т.А.);
  • Проект «Исследование физико-механических свойств аддитивно-производимых мета-биоматериалов для тканевой инженерии» (руководитель Боровков А. И.).
  • «Фондом завершен очередной отбор научных проектов. Большая часть — это проекты отдельных научных групп, по которым всегда высокая конкурсность. <…> Уверен, что реализация поддержанных проектов приведет к новым, интересным и востребованным результатам»,
    — приводит пресс-служба Фонда слова заместителя генерального директора РНФ Андрея Блинова.

Проект научной группы ИЦ ЦКИ (CompMechLab®) СПбПУ 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.

  • «Актуальность исследования обусловлена потребностью медицинской отрасли в современных имплантатах для качественного и быстрого восстановления функций скелетно-мышечных систем человека после травмы»,
    – рассказал Леонид Маслов.

«Достижение целей проекта позволит внести вклад в развитие современной механики материалов и биомеханики, цифровых технологий проектирования сложных механических систем.

Реализация проекта обеспечивает формирование научного фундамента регенеративной персонализированной медицины и способствует решению ключевых проблем высокотехнологичного кастомизированного эндопротезирования.

В конечном итоге это позволит повысить качество создаваемой продукции медицинского назначения, качество оказываемой медицинской помощи и качество жизни пациентов».

ведущий научный сотрудник Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ
Леонид Маслов
 

Данный проект предполагает решение ряда задач фундаментального и поискового характера. К ним относятся

  • Теоретические и экспериментальные исследования физико-механических свойств мета-биоматериалов на основе биосовместимых сплавов в условиях квазистатического и циклического нагружения.
  • Численные исследования процессов регенерации костной ткани на основе гипотез механобиологии во внутреннем пространстве пористых имплантатов во взаимосвязи с каркасной структурой мета-биоматериала.
  • Разработка высокоадекватных полномасштабных конечно-элементных моделей системы «таз – эндопротез – бедренная кость» и исследование напряженно-деформированного состояния костной ткани и эндопротеза из построенных мета-биоматериалов при различных видах двигательной активности человека.

Как пояснил Михаил Жмайло, метаматериал – это искусственно сформированный и особым образом структурированный композиционный материал, обладающий физико-механическими свойствами, труднодостижимыми технологически либо не встречающимися в природе.

«Выбор материала и проектирование конструкции имплантата нового типа является одним из ключевых моментов успешной реализации процедуры выращивания новой ткани.

К имплантатам предъявляется целый ряд требований: биосовместимость, пористая конструкция, отсутствие негативного влияния на рост живой ткани, механическая прочность, функциональность, технологичность, экономичность производства.

Предполагается, что достигнуть этого возможно путем разработки специальных видов метаматериалов с развитой специально спроектированной внутренней поровой структурой, которая будет обладать достаточной гибкостью и возможностью настройки под заданные характеристики объекта.

Основой для создания мета-биоматериала будут служить не полимерные материалы, а биосовместимые металлические сплавы».

руководитель направления «Прикладные исследования и разработки» Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ
Михаил Жмайло
 
  • «Цифровые технологии проектирования и аддитивное производство позволяют разрабатывать метаматериалы с уникальным сочетанием физико-механических свойств»,
    ​– добавил Федор Тарасенко.

Исследование предполагает разработку новых высокоадекватных математических моделей аддитивно производимых материалов и высокоадекватных компьютерных моделей биомеханической системы, включающей тазовые и бедренные кости и полный эндопротез тазобедренного сустава, выполненный из титана с помощью 3D-печати.

«Таким образом, в качестве конкретного применения предлагается провести комплексные исследования пористых имплантатов на основе метаматериалов, изготовленных с помощью аддитивных технологий (методами 3D-печати) из биосовместимых порошковых металлов.

В настоящее время данный вид имплантата является принципиально новым для тканевой инженерии и не имеет достаточного расчетного обоснования, включая методы проектирования как самой конструкции, так и ее пороупругих, прочностных и механобиологических свойств, особенно, в условиях динамического нагружения».

инженер-исследователь Инжинирингового центра «Центр компьютерного инжиниринга» (CompMechLab®) СПбПУ
Федор Тарасенко
 

«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».

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 научной группы, 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
Алексей Боровков
 

Как отдельно подчеркнул Алексей Боровков, научная группа ИЦ ЦКИ (CompMechLab®) СПбПУ обладает большим опытом разработки высокоадекватных расчетных моделей и проведения детальных расчетов прочности систем, включающих кости скелета и эндопротезы суставов. Авторы проекта с 2015 года ведут исследования совместно с ФГБУ «НМИЦ травматологии и ортопедии им. Р. Р. Вредена» и ФГБУ «НМИЦ онкологии им Н. Н. Блохина».

Использование бионических принципов в медицине: слева - пластиковая модель лопатки, справа - титановый протез

Кроме того, наработан обширный опыт в области биомеханики и аддитивного производства, конечно-элементного анализа, проектирования и проведения расчетных проверок и виртуальных испытаний эндопротезов и другой ортопедической продукции в рамках сотрудничества с медицинскими и промышленными организациями.

  • Разработка методики цифрового проектирования и производства индивидуальных ортопедических имплантов на основе аддитивных технологий.
  • Проведение прочностной проверки тазового компонента индивидуального (кастомизированного) эндопротеза для ревизионной артропластики тазобедренного сустава.
  • Математическое и компьютерное моделирование операции по расширению верхней челюсти пациента при помощи устройства-дистрактора (расширителя).
Публикации и доклады
  • Soloviev D., Maslov L., Zhmaylo M. Acetabular Implant Finite Element Simulation with Customised Estimate of Bone Properties. Materials. 2023. V. 16. P. 398. DOI: 10.3390/ma16010398
  • Borovkov A., Maslov L., Tarasenko F., Zhmaylo M., Maslova I., Soloviev D. Development of elastic–plastic model of additively produced titanium for personalised endoprosthetics. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2021. Т. 117. № 7-8. P. 2117-2132. DOI: 10.1007/s00170-021-07460-1
  • Maslov L., Borovkov A., Maslova I., Soloviev D., Zhmaylo M., Tarasenko F. Finite Element Analysis of Customized Acetabular Implant and Bone after Pelvic Tumour Resection throughout the Gait Cycle. Materials. 2021. Т. 14. № 22. P. 7066. DOI: 10.3390/ma14227066
  • Коваленко А.Н., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Джавадов А.А., Билык С.С., Мидаев А.И., Маслов Л.Б., Жмайло М.А. ДИЗАЙН ИНДИВИДУАЛЬНЫХ ВЕРТЛУЖНЫХ КОМПОНЕНТОВ: ВЛИЯНИЕ ТИПА ДЕФЕКТА НА ВИД КОНСТРУКЦИИ. Российский журнал биомеханики. 2021. Т. 25. № 2. С. 159-172. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2021.2.04
  • Маслов Л.Б., Дмитрюк А.Ю., Жмайло М.А., Коваленко. А.Н. КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНЫЙ АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ЭНДОПРОТЕЗА ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА ПРИ ХОДЬБЕ. Российский журнал биомеханики. 2021. Т. 25. № 4. С. 414-433. DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2021.4.07
  • Maslov L., Zhmaylo M., Maslova I., Surkova P., Tarasenko F., Musaev E., Sushentsov E., Barrier T. Some aspects of custom-made 3d-printed hip joint implant structural simulation. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 3rd International Scientific-Practical Conference on Quality Management and Reliability of Technical Systems. BRISTOL, 2021. P. 012035. DOI: 10.1088/1757-899X/986/1/012035
  • Borovkov A., Maslov L., Ivanov K., Kovaleva E., Tarasenko F., Zhmaylo M. Improving the printing process stability and the geometrical accuracy of the parts manufactured by the additive techniques. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 3rd International Scientific-Practical Conference on Quality Management and Reliability of Technical Systems. BRISTOL, 2021. P. 012033. DOI: 10.1088/1757-899X/986/1/012033.
  • Borovkov A., Maslov L., Ivanov K., Kovaleva E., Tarasenko F., Zhmaylo M., Barriere T. Development of elastic–plastic model of additively produced titanium for personalised endoprosthetics. 3rd International Scientific-Practical Conference on Quality Management and Reliability of Technical Systems. BRISTOL, 2021. P. 012034. DOI: 10.1007/s00170-021-07460-1.
  • Митрофанов А.В., Маслов Л.Б., Мизонов В.Е. Вероятностная модель клеточных преобразований при регенерации костной ткани. Российский журнал биомеханики. 2021. Т. 25. № 1. С. 48–63.
  • Маслова И.Л., Маслов Л.Б., Жмайло М.А. ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ АЦЕТАБУЛЯРНОГО КОМПОНЕНТА ПЕРСОНАЛИЗИРОВАННОГО ЭНДОПРОТЕЗА ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА ПРИ ДВИЖЕНИИ ЧЕЛОВЕКА. БИОМЕХАНИКА-2020. Материалы XIV Всероссийской конференции с международным участием. Пермь, 2020. С. 165-169.
  • Soloviev D., Maslova I., Surkova P., Maslov L., Zhmaylo M., Kovalenko A. Comparative analysis of the revision acetabular customized implant position by finite element modeling. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. International Conference of Young Scientists and Students "Topical Problems of Mechanical Engineering", ToPME 2019. 2020. P. 012076. DOI: 10.1088/1757-899X/747/1/012076
  • Maslov L., Surkova P., Maslova I., Soloviev D., Zhmaylo M., Kovalenko A., Bilyk S. Finite-element study of the customized implant for revision hip replacement. Vibroengineering Procedia. 2019. P. 40-45. DOI: 10.21595/vp.2019.20961
  • Маслова И.Л., Суркова П.В., Маслов Л.Б., Жмайло М.А., Сушенцов Е.А. КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ АЦЕТАБУЛЯРНОГО КОМПОНЕНТА ПЕРСОНАЛИЗИРОВАННОГО ЭНДОПРОТЕЗА ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА. XII Всероссийский съезд по фундаментальным проблемам теоретической и прикладной механики. Сборник трудов в 4-х томах. 2019. С. 178-180.
  • Сушенцов Е.А., Мусаев Е.Р., Маслов Л.Б., Жмайло М.А., Софронов Д.И., Агаев Д.К., Дзампаев А.З, Романцова О.М., Федорова А.В., Алиев М.Д. Компьютерное моделирование, аддитивное производство и персонализированное протезирование в лечение пациентов с остеосаркомой таза. Саркомы костей, мягких тканей и опухоли кожи. 2019. Т. 11. С. 53. https://sarbon.elpub.ru/jour/article/view/104/105
  • Маслов Л.Б. Биомеханическая модель и численный анализ регенерации ткани в объеме пористого имплантата. Прикладная математика и механика. 2019. Т. 83. № 5-6. С. 834-860.
  • Nemov A., Ermolenko N., Borovkov A., Zhmaylo M., Zelinskiy I., Karandashev A., Khominets V., Khominets I., Mamedov K., Grebenuyk A., Milyaev A. Simulation of mechanical behaviour of the plate for osteosynthesis: loads and computational approach. Series on Biomechanics. 2018. Т. 32. № 1. P. 30-37.
  • Боровков А.И., Маслов Л.Б., Жмайло М.А., Зелинский И.А., Войнов И.Б., Керестень И.А., Мамчиц Д.В., Тихилов Р.М., Коваленко А.Н., Билык С.С., Денисов А.О. Конечно-элементное исследование напряженного состояния персонализированного эндопротеза тазобедренного сустава в случае двухопорного стояния. Российский журнал биомеханики. 2018. Т. 22. № 4. С. 382-400. DOI: 10.15593/RJBiomech/2018.4.02
  • Кирпичев И.В., Коровин Д.И., Маслов Л.Б., Томин Н.Г. Математическая модель клеточных преобразований при регенерации костной ткани в условиях изменяющейся биохимической среды с возможной механорегуляцией. Российский журнал биомеханики. 2016. Т. 20. № 3. С. 220-235.
  • Маслов Л.Б. Математическое моделирование восстановления механических свойств костной мозоли. Прикладная математика и механика. 2015. Т. 79. № 2. С. 286-303.
  • Маслов Л.Б. Математическая модель структурной перестройки костной ткани. Российский журнал биомеханики. 2013. Т. 17. № 2 (60). С. 39–63.
  • Пахомова М.В., Жмайло М.А. Передовые подходы к планированию операций: компьютерный инжиниринг и томография в челюстно-лицевой хирургии. XIV Всероссийский научно-образовательный форум с международным участием «Медицинская диагностика 2022». Москва, 24-26 мая 2022 года.
  • Пахомова М.В., Ланина А.Н., Жмайло М.А. Передовые подходы к планированию операций: компьютерный инжиниринг в челюстно-лицевой хирургии. V Международный Конгресс стоматологов «Актуальные проблемы стоматологии и челюстно-лицевой хирургии». Ташкент, 3-4 июня 2022 года.
  • Пахомова М.В., Жмайло М.А. Применение компьютерного инжиниринга при планировании минимально инвазивного быстрого расширения верхней челюсти у взрослых пациентов. Всероссийская научно-практическая конференция «Актуальные вопросы челюстно-лицевой хирургии и стоматологии». Санкт-Петербург, 23-24 ноября 2022 года.
Патенты и иные результаты интеллектуальной деятельности
  • Коваленко А.Н., Тихилов Р.М., Шубняков И.И., Билык С.С., Маслов Л.Б., Жмайло М.А. УСТРОЙСТВО ДЛЯ РЕКОНСТРУКЦИИ ОБЛАСТИ ВЕРТЛУЖНОЙ ВПАДИНЫ ПРИ ЭНДОПРОТЕЗИРОВАНИИ ТАЗОБЕДРЕННОГО СУСТАВА У ПАЦИЕНТОВ С ОБШИРНЫМИ ДЕФЕКТАМИ КОСТНОЙ ТКАНИ. Патент на изобретение 2758125 C1, 26.10.2021.
  • Боровков А.И., Жмайло М.А., Маслов Л.Б., Тарасенко Ф.Д. ПРОГРАММА ОБРАБОТКИ ДАННЫХО КОНЦЕНТРАЦИИ МЕЗЕНХИМАЛЬНЫХ СТВОЛОВЫХ КЛЕТОК ПРЕДШЕСТВЕННИКОВ. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2022610347, 11.01.2022. Заявка № 2021681486 от 23.12.2021.
  • Боровков А.И., Жмайло М.А., Маслов Л.Б., Тарасенко Ф.Д. ПРОГРАММА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ МЕХАНИЧЕСКИМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ МАТЕРИАЛА ДЛЯ ОПИСАНИЯ РЕГЕНЕРАЦИИ КОСТНОЙ ТКАНИ. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2021668372, 15.11.2021. Заявка № 2021667664 от 08.11.2021.
  • Боровков А.И., Жмайло М.А., Тарасенко Ф.Д. БАЗА ДАННЫХ ВЫСОКОАДЕКВАТНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ ИЗ ПОРОШКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ АДДИТИВНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. Свидетельство о регистрации базы данных 2021621452, 05.07.2021. Заявка № 2021621314 от 28.06.2021.
  • Боровков А.И., Жмайло М.А., Тарасенко Ф.Д. ПОЛЬЗОВАТЕЛЬСКАЯ ПРОГРАММНАЯ ОБОЛОЧКА БАЗЫ ДАННЫХ ВЫСОКОАДЕКВАТНЫХ МАТЕМАТИЧЕСКИХ МОДЕЛЕЙ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ, ПОЛУЧАЕМЫХ ИЗ ПОРОШКОВ С ПРИМЕНЕНИЕМ АДДИТИВНЫХ ПРОИЗВОДСТВЕННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ. Свидетельство о регистрации программы для ЭВМ 2021660738, 01.07.2021. Заявка № 2021619599 от 22.06.2021.

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

Кроме того, специалисты ИЦ ЦКИ (CompMechLab®) СПбПУ активно применяют технологии компьютерного и суперкомпьютерного инжиниринга для расчетов прочности и оптимизации различных изделий и технических систем по заказам индустриальных партнеров, работающих в области двигателестроения, нефтегазового, атомного, тяжелого, железнодорожного и специального машиностроения, автомобильной промышленности, авиастроения и ракетно-космической техники, судостроения, кораблестроения и морской техники.