Развитие технологии для проектирования, численного моделирования и аддитивного производства сетчатых конструкций для транскатетерной имплантации аортального клапана

Число случаев патологии аортального клапана и связанных с ней негативных последствий в связи с увеличением продолжительности жизни неуклонно растёт в России и мире. Персонализированный подход к лечению аортального стеноза с помощью методов вычислительной и экспериментальной гемодинамики, математического моделирования, аддитивного производства позволило бы снизить число негативных исходов и улучшить качество жизни пациентов.

Проект направлен на разработку технологии создания дизайна, расчёта и производства стентов-каркасов аортального клапана. Для реализации целей исследования необходимо разработать геометрии створок и каркаса, изучить их механические свойства, создать геометрию прототипа и исследовать его гемодинамические особенности in silico и in vitro. Мы ожидаем, что полученные знания помогут сделать вклад в создание прототипа клапана и анализа влияния типа каркаса, материала и конфигурации створок на гидродинамические параметры протеза.

Научная новизна проекта заключается в применении математических методов для создания параметризированных геометрий створок и каркаса клапана. А также в разработке комплексного подхода к технологии создания персонализированных устройств с помощью методов аддитивного производства и экспериментальной гидродинамики.

Актуальность проекта

Аортальный стеноз (АС) является одной из наиболее распространённых форм заболеваний сердца, при которой нарушается нормальное открытие створок аортального клапана. В настоящее время существуют два варианта лечения аортального стеноза: (i) открытая операция по хирургической замене аортального клапана , при которой створки аортального клапана удаляются и заменяются механическим клапаном или биологическим тканевым клапаном посредством операции на открытом сердце, и (ii) минимально инвазивный метод транскатетерной имплантации аортального клапана (ТИАК), при котором протез клапана устанавливается в аортальном клапане пациента через катетер. В последнее время ТИАК становится всё более предпочтительным вариантом лечения. Однако существует ряд осложнений, связанных с процедурой ТИАК, таких как смещение стента, тромбоз клапана, неполное раскрытие стента, асимметричная кальцификация исходного аортального клапана иногда приводит к неполному расширению стента и т.д. Большинство осложнений, по-видимому, связаны с отсутствием кастомизации протеза (размеры, форма стента, форма створок). Также в настоящее время существует дефицит качественных и надёжных конструкций, обеспечивающих нормальное функционирование пациента после установки каркасных протезов. Например, при имплантации стентов слишком большого размера может возникнуть воспалительная реакция и, как следствие, рестеноз. 

Следовательно, необходимо предложить технологию создания каркасов с помощью аддитивных технологий и их численного моделирования для описания процесса имплантации конкретному пациенту. Развитие технологии кастомизированного производства с помощью лазерной резки или SLM-печати позволит открыть путь к индивидуальному изготовлению и уникальным конструкциям стентов-каркасов аортального клапана, позволяя создавать более сложные геометрии. Таким образом, целью проекта является разработка технологии создания дизайна, производства стентов-каркасов аортального клапана, а также численного расчёта их поведения в области имплантации и in vitro-эксперименты. Сетчатые конструкции с прогнозируемой геометрией и физико-механическими свойствами позволят не только сократить сроки производственного цикла, но и решить ряд задач материаловедческого характера с учётом биологических аспектов, например, обеспечивать адекватную радиальную жёсткость протезов. Кроме того, планируется изучить, как форма и материал створок влияют на гидродинамические особенности протеза ТИАК. Планируется создание программы для параметризованного трёхмерного создания геометрии створок аортального клапана различного размера, степени кривизны и формы, а также их последующего производства из биополимерных материалов методом 3D-печати (SLA-печать). Реализация проекта поможет внести значимый вклад в развитие технологий кастомизированного производства новых медицинских имплантов и совершенствованию персонифицированной медицины.

Научная и практическая значимость проекта

Данный междисциплинарный проект, сочетающий аспекты вычислительного моделирования, материаловедения, экспериментальных исследований и аддитивного производства, находится на фронтире персонализированного создания имплантов с точки зрения биомедицинского инжиниринга. Новые методики проектирования для создания каркасов аортальных клапанов с учётом индивидуальных особенностей пациента и математического моделирования позволят улучшить анатомическое соответствие импланта, долговечность и гемодинамические показатели, преодолевая недостатки традиционных некастомизированных ТИАК. Усовершенствованные численные модели и эксперименты in vitro на современном оборудовании позволят глубже понять биомеханическое поведение импланта в условиях, близких к физиологическим. Новые режимы 3D-печати (в области печати биосовместимыми полимерами) позволят создавать сложные геометрические формы створок, необходимые для конструкций ТИАК.

Разработанные принципы проектирования и протоколы моделирования, которые появятся в результате проекта, будут служить основой для новых исследований в области персонализированного аддитивного производства сетчатых имплантатов в области сердечно-сосудистой хирургии, способствуя прогрессу в биомедицинской науке и персонализированной медицине.

Ожидаемые результаты

Ожидаемым результатом проекта станет развитие технологии для проектирования, численного моделирования и аддитивного производства сетчатых конструкций для транскатетерной имплантации аортального клапана. А также создание собственного дизайна и прототипа аортального клапана.

Партнеры