Экспериментальное исследование и математическое моделирование механического поведения биоматериалов

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.

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

Другие проекты