Университет «Сириус»

Экспериментальное исследование и математическое моделирование механического поведения биоматериалов

О проекте

Цели проекта:

  • разработка и создание инструментария (материально-технической базы) для проведения экспериментальных исследований биоматериалов;
  • проведение экспериментальных исследований биоматериалов;
  • разработка математических моделей механического поведения биоматериалов (мягких тканей человека и животных) на основе экспериментальных данных, полученных в Научно-технологическом университете «Сириус».

Предполагается, что образцы биоматериалов будут предоставлены ведущими клиническими центрами  (при соблюдении необходимых формальностей) в рамках соглашения между организациями.  Такое сотрудничество даст качественный и количественный (в смысле статистики) прорыв в изучении свойств тканей человека, что составляет новизну не только в РФ, но и в мире.

Руководитель

Виктория Юрьевна Саламатова

Виктория Юрьевна Саламатова

Доцент Научно-технологического университета «Сириус», кандидат физико-математических наук.
salamatova@gmail.com 

Актуальность проекта

На сегодняшний момент в РФ не существуют лабораторий с необходимым материально-техническим обеспечением для исследования механического поведения биологических тканей на макроуровне для построения моделей механического поведения биоматериалов в рамках механики сплошной среды. Существующие экспериментальные установки в научно-исследовательских институтах механики направлены на изучение поведения инженерных материалов и не подходят для исследования биоматериалов, поскольку не позволяют учитывать ряд особенностей работы с биоматериалами, что влияет на адекватность получаемых экспериментальных результатов. Такими особенностями являются малый размер образцов, обезвоживание ткани во время проведения эксперимента, необходимость использования специальных зажимов для минимизации краевых эффектов, использование видео- и фотофиксации эксперимента для корректной оценки деформации мягкой ткани, необходимость исследования разных мод деформации (например, двухосное растяжение). На данный момент в РФ отсутствует «стандартный набор» экспериментальных машин для механического исследования биоматериалов, в то же время экспериментальные исследования являются ключевым этапом  для решения целого ряда биомедицинских задач, которые включают себя моделирование напряженно-деформированного состояния биоматериалов в рамках механики сплошных сред.

Научная и практическая значимость проекта

Наличие подходящих экспериментальных установок позволит:

  • исследовать свойства мягких тканей человека в рамках сотрудничества с клиниками страны;
  • разрабатывать новые протоколы исследования биоматериалов;
  • разрабатывать и создавать новые экспериментальные установки для исследования механических свойств мягких тканей человека in vivo;
  • разрабатывать и создавать новые экспериментальные установки для одновременного исследования различных процессов в биоматериалах;
  • обучать магистров и слушателей дополнительных образовательных программ по механике биоматериалов максимально эффективно, сочетая теоретическое изучение с экспериментальными исследованиями в лаборатории;
  • предлагать магистерские НИР по экспериментальной биомеханике.

Отметим, что экспериментальная биомеханика и осмысление полученных результатов являются отправной точкой для целого пласта актуальных задач нелинейной теории упругости, решение которых имеет важное значение для биомедицинских приложений:

  • решение обратных задач для оценки параметров математической модели биоматериала;
  • развитие data-driven подходов в решении задач о нахождении напряженно-деформированного состояния биоматериала;
  • построение определяющих соотношений для биоматериалов и их численная реализация в моделях механического поведения биоматериалов.

Созданная лаборатория по механическому исследованию мягких тканей на макроуровне станет идеальным дополнением к уже имеющимся российским лабораториям, исследующим биоматериалы на других масштабах (микро и нано), что позволит строить и исследовать многомасштабные модели механического поведения биоматериалов.

Ожидаемые результаты

В случае своевременной закупки и полной  поставки комплектующих экспериментальных установок ожидаются следующие результаты:

  • техническая документация для сопряжения эксперимента по двухосному растяжению анизотропных материалов с оценкой внутренней структуры, использующей дополнительное оборудование small-light angle scattering;
  • техническая документация и руководство пользователя экспериментальной установки для исследования механических свойств биоматериалов оптическими методами;
  • новые экспериментальные протоколы исследования механических свойств биоматериалов и их апробация с использованием экспериментальных установок;
  • разработка численных моделей новых экспериментальных протоколов исследования биоматериалов;
  • разработка персонализированных математических моделей на основе экспериментального исследования биоматериалов

Партнеры

ИВМ РАН
Первый МГМУ им. И.М. Сеченова
ФГБНУ РНЦХ им. Б.В. Петровского

Другие проекты