Исследователи Научно-технологического университета «Сириус» совместно с коллегами из Южно-Африканской Республики и Пермского национального исследовательского политехнического университета разработали новый метод, комбинирующий проведение экспериментальных исследований механических свойств тканей животного происхождения и численного моделирования биопротезов для лечения патологии аортального клапана. Оказалось, что архитектура волокон створки напрямую влияет на производительность протеза. Результаты работы, опубликованные в журнале Frontiers in Bioengineering and Biotechnology, помогут инженерам создавать импланты, которые будут дольше служить пациентам и реже требовать замены.
Биопротезы аортальных клапанов из тканей животных, прежде всего свиного перикарда, сегодня считаются «золотым стандартом» лечения пороков сердца. В отличие от механических протезов, которые изготавливают из искусственных материалов и которые требуют пожизненного приёма препаратов, разжижающих кровь (иначе на клапане образуются тромбы), биологические клапаны этой проблемы лишены. Однако у них есть другой недостаток. Со временем ткань изнашивается, теряет эластичность и перестаёт плотно смыкаться, что нарушает работу клапана.
Чтобы продлить срок службы таких протезов, необходимо хорошо понимать, как ведет себя ткань под нагрузкой и как это влияет на движение створок и течение крови. В целях продления срока службы имплантов, производители клапанов всё чаще используют компьютерное моделирование ещё на этапе проектирования, но до недавнего времени в научном сообществе не было единого мнения о том, как именно описать поведение живой ткани в условиях реальных нагрузок с точки зрения выбора корректной математической модели.
.png "Graphical abstract (1).png")
Решая эту задачу, международный коллектив, в который вошли учёные из Научно-технологического университета «Сириус», Пермского Политеха и Южно-Африканской Республики, разработал методику для численного моделирования биопротезов аортального клапана, где створки выполнены из тканей животных. Учёные растягивали образцы свиного перикарда в двух направлениях, имитируя нагрузку работающего сердца, а затем попробовали описать полученные данные с помощью десяти существующих математических моделей. Оказалось, что наиболее точными оказались две модели, которые напрямую связывают свойства материала с его структурой (модели с архитектурой распределения волокон в в двух и четырёх направлениях).
Расчёты показали, что обе модели способны давать близкие значения основных клинических показателей. Однако локальные характеристики, такие как напряжение сдвига на поверхности створок и вихревые структуры в потоке крови, заметно различались. Модель с распределением волокон в четырёх направлениях показала самые лучшие результаты.
 (2).jpg)
.jpeg)
«Следует отметить, что напряжение сдвига — это сила трения, с которой кровь воздействует на поверхность створок. Если оно слишком высокое или распределено неравномерно, это может повреждать ткань и ускорять её износ. В расчётах самые высокие значения этого показателя возникали в моменты закрытия клапана, особенно у краев створок и в местах их крепления к стенке аорты. То есть именно там, где в реальных биопротезах чаще всего возникают кальцификаты или появляются повреждения», — рассказывает соавтор исследования, младший научный сотрудник научной группы Научного центра генетики и наук о жизни Научно-технологического университета «Сириус» Никита Пиль.
В результате исследования было показано, что максимальная скорость кровотока, перепад давления в зоне расположения клапана и эффективная площадь его отверстия — все эти показатели оказались в пределах нормы для обеих моделей. Однако модель с распределением волокон в четырёх направлениях показала наиболее сбалансированные результаты.
«Разработанная технология, включающая методику проведения экспериментальных исследований, определения параметров математических моделей и численного моделирования, является существенным шагом для описания поведения биопротезов со створками животного происхождения с целью прогнозирования и управления долгосрочным поведением и долговечностью аортального клапана. С другой стороны, полученные результаты могут стать основой для создания полимерных створок методами ротационной 3D-печати с учётом комплексной архитектуры волокон», — говорит соавтор исследования, руководитель научной группы Научного центра генетики и наук о жизни Университета «Сириус» Алексей Кучумов.
Учёные полагают, что выбор математической модели влияет не только на то, как клапан открывается и закрывается, но и на то, как кровь обтекает створки, а значит — и на долговечность протеза. Полученные результаты помогут инженерам более точно проектировать биопротезы, прогнозируя их износ ещё на этапе разработки.
Работа выполнена при поддержке государственной программы научно-технологического развития федеральной территории «Сириус» (проект «Развитие технологии для проектирования, численного моделирования и аддитивного производства сетчатых конструкций для транскатетерной имплантации аортального клапана»).
Автор: Денис Новиков