Регистрация / Вход
Прислать материал

Лазерная нанокомпозитная сварка биологических тканей и органов человеческого организма

Номер контракта: 14.575.21.0044

Руководитель: Подгаецкий Виталий Маркович

Должность: Профессор кафедры биомедицинских систем

Организация: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"
Организация докладчика: федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники"

Аннотация скачать
Постер скачать
Презентация скачать
Ключевые слова:
лазерная сварка, нанокомпозит, припой, нанокаркас, биологическая ткань, сварной шов, восстановление.

Цель проекта:
1 Формулировка задачи/проблемы, на решение которой направлен реализуемый проект. Cоздание макета нового типа аппарата для лазерной сварки биологических тканей с использованием нанокомпозитного припоя, который способствует надежному соединению восстанавливаемой биологической ткани путем высокой степени адгезии краев раны и регенерации клеточных структур. 2 Формулировка цели реализуемого проекта. • Разработка нового типа малогабаритного аппарата для лазерной сварки биологических тканей. • Усовершенствование технологии изготовления и применения нанокомпозитных биоприпоев (НКБП) путем выбора их компонентов, влияющего на прочность сварных швов биотканей и характеристика источника лазерного излучения и состава нанокомпозитных биоприпоев, влияющих на прочность сварных швов биотканей. • Разработка лазерного метода самосборки объемных наноуглеродных каркасов для самоорганизации на них клеточного материала при восстановлении трехмерной структуры биологических тканей. • Поиск новых искусственных углеродных наноматериалов, способствующих росту клеточных структур различных биологических тканей. • Отбор и культивирование собственных и донорских клеток для специального носителя клеток, создаваемого на основе биосовместимых нанокомпозитов. • Оптическое стимулирование роста и дифференциации клеток на наноуглеродных каркасах в процессе лазерной сварки тканей. • Введение культуры клеток в нанокомпозитную матрицу и их размножение с целью восстановления биологических тканей при лазерной сварке.

Основные планируемые результаты проекта:
1 Краткое описание основных результатов (основные практические и экспериментальные результаты, фактические данные, обнаруженные взаимосвязи и закономерности).
• Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему лазерной сварки биологических тканей (ЛСБТ), в т.ч. обзор научных информационных источников: статьи в ведущих зарубежных и российских научных журналах, монографии и патенты за период 2009 – 2013 гг. Выполнены патентные исследования по методам ЛСБТ. Выявлены методы ЛСБТ с использованием различных составов лазерных припоев и типов лазерной аппаратуры. Обработаны 24 литературных источника и 29 патентов.
• Проведены теоретические исследования научно-технических основ построения аппарата для ЛСБТ, основанные на анализе условий прохождения лазерного излучения (ЛИ) через сильнорассеивающую среду. Проанализированы характеристики диодных источников ЛИ, пригодных к использованию в ЛСБТ с нанокомпозитными припоями (НКП) на основе водно-белковых дисперсий углеродных наночастиц. Сделана предварительная теоретическая оценка вклада поглощения и рассеяния в ослабление ЛИ в таких дисперсиях.
• Разработаны алгоритм и программное обеспечение, описывающие взаимодействие ЛИ с биотканями в присутствии НКП. Исследован математический аппарат, определяющий характер действия электрического поля ЛИ на углеродную нанотрубку (УНТ), при котором локальная напряженность поля наиболее высока у конца нанотрубки.
• Выбран и обоснован оптимальный вариант конструкции макета аппарата для ЛСБТ биотканей. Сформулированы основные требования к конструкции макета аппарата и выявлены характерные признаки, необходимые для оформления патентной защиты. Проанализированы возможности оптимизации такого рода устройств со следующими характеристиками: длина волны ЛИ 790-820/940-980 нм; максимальная мощность 5-15 Вт; контроль и поддержание температуры лазерного шва от 20 до 90 (± 0,1) °C.
• Осуществлен поиск новых искусственных углеродных наноматериалов, способствующих росту клеточных структур различных биотканей и выполнен анализ факторов, определяющих рост таких структур хрящевых. Установлены методы оценки эффективности действия функциализированных углеродных наноматериалов на рост клеток.
• Усовершенствована технология изготовления и применения НКП путем выбора их компонентов, влияющего на прочность сварных швов биотканей. Проведены предварительные исследования влияния введения поверхностно-активных веществ в состав припоев на прочность лазерных швов биотканей с разными составами НКП.
• Выбран и обоснован оптимальный варианта направления исследований в рамках ПНИ. Выполнен сравнительный анализ различных вариантов направления исследований. В качестве магистральной линии выбрано использование бездефектных однослойных УНТ в составе НКП, имеющих высокие механические характеристики.
• Составлен план проведения теоретических и экспериментальных исследований по результатам анализа научно-технической литературы, нормативно-технической документации и патентных материалов, относящихся к теме ПНИ. Разработаны и исследованы научно-технические основы ЛСБТ. Разработан способ оценки эффективности различных путей проведения исследований научно-технических основ ЛСБТ. Сформулированы возможные пути перспективных исследований состава лазерных НКП.
• Намечены критерии оценки эффективности различных вариантов состава НКБП. Установлены пути усовершенствования технологии изготовления и применения НКБП путем выбора их компонентов, влияющего на прочность сварных швов биотканей. Обоснован оптимальный вариант состава НКП для ЛСБТ: концентрация УНТ 0,05-0,3 мас. %; плотность 1000-1200 кг/м3; кинематическая вязкость 1-10 мм2/с; твердость: 150-300 МПа; прочность на разрыв сварных швов 0,5-8 МПа, объем пор 0,1-0,5 см3/г, диаметр пор 10-100 нм.
• Выполнен анализ последовательных стадий процесса соединения рассеченных биотканей под действием ЛИ: вначале происходит разогрев материала лазерного шва, поглощающего излучение, далее устанавливается стабильный режим нагрева шва и смежных биотканей, который обеспечивает прочное соединение рассеченных биотканей. Визуализация и контроль процесса лазерной сварки обеспечивает автоматическую регулировку нагрева тканей в месте их сваривания путем управлением режимом работы источника излучения.
• Отработан процесс изготовления НКП из альбумина, углеродных нанотрубок и воды. Осуществлен анализ качества компонент НКП. Установлено соответствие характеристик составов НКП требуемым параметрам. Предварительно установлены наиболее эффективные составы НКП.
• Разработан паспорт экспериментального образца НКП для ЛСБТ.
• Разработаны алгоритм управления макетом аппарата для ЛСБТ и программное обеспечение в среде Delphi для контроля и управления макетом аппарата.
• Разработан метод для визуализации процесса ЛСБТ с помощью тепловизора. Написано программное обеспечение этого процесса в среде MATLab.
• Разработана технология изготовления НКП для ЛСБТ и изготовлен экспериментальный образец НКТБ. Проведены комплексные исследования НКТБ методами ИК-спектроскопии, атомно-силовой и растровой микроскопии.
• Разработан эскизный проект макета аппарата для ЛСБТ по ГОСТ 2.119-73.
• Разработаны элементы излучающей системы макета аппарата для ЛСБТ на длинах волн 0,81 и 0.97 мкм, с мощностью излучения на выходе оптоволокна до 10 Вт.
• Разработаны системы визуализации и термостабилизации процесса лазерного сваривания в области сварного шва и соседних биотканей
• Разработана система подачи НКП в зону лазерного сваривания биотканей.
• Разработаны образцы лазерных сварных швов с объемным наноуглеродным каркасом для осуществления процесса самоорганизации в области сваривания, при восстановлении трехмерной структуры биотканей.
• Разработана методика отбора и культивирования для специального носителя клеток – аналога естественной биологической матрицы, создаваемого на основе биосовместимого нанокомпозитного материала.
2 Основные характеристики планируемых результатов (в целом и/или отдельных элементов), научной (научно-технической, инновационной) продукции.
• Проведение испытаний макета аппарата для ЛСБТ, что предусматривает проверку функционирования излучательной системы макета. Это включает анализ зависимости свойств получаемого сварного шва для разных типов биотканей от режима работы устройства и конкретной рецептуры НКП.
• Экспериментальные исследования взаимодействия излучения макета аппарата для ЛСБТ с НКБП включают в себя испытания системы обратной связи температуры НКП и смежных биотканей в процессе сваривания с режимом работы излучающего устройства.
• Компьютерное моделирование взаимодействия излучения аппарата для ЛСБТ с НКП предусматривает выяснение характера процессов, происходящих в материале сварного шва в процессе сваривания, а также связи прочности сварного шва с параметрами биоткани и режимом работы макета аппарата.
• Визуализация зоны лазерного сваривания биотканей включает в себя настройку оптической системы и выбор ее оптимальной конфигурации.
• Введение культуры клеток в нанокомпозитную матрицу и их размножение для восстановления биотканей при ЛСБТ сварке предусматривает подбор клеточного материала, выбор оптимальной методики проведения эксперимента, способа регистрации получаемых результатов биологических экспериментов и анализ результатов экспериментов.
• Экспериментальные исследования оптического стимулирования роста и дифференциации клеток на наноуглеродных каркасах в процессе ЛСБТ включают в себя разработку методики экспериментов и способа анализа получаемых результатов.
• Доработка макета аппарата для ЛСБТ по результатам испытаний предусматривает совершенствование его конструкции и режима функционирования.
• Доработка конструкторской документации на макет аппарата для ЛСБТ по результатам испытаний заключается в учете конкретных результатов испытаний в виде совершенствования комплекта документации в соответствии с нормативными документами.
• Разработка медико-технических требований на макет аппарата для ЛСБТ включает в себя разработку инструкции по работе с устройством с учетом существующих требований к лазерной аппаратуре.
• Выработка рекомендаций по использованию результатов ПНИ в реальном секторе экономики предусматривает оценку себестоимости изготовления аппарата для ЛСБТ и учет возможных условий его эксплуатации в медицинской практике.
• Разработка проекта ТЗ на проведение ОКР по результатам ПНИ на тему: «Разработка аппарата для лазерной сварки биологических тканей» должна быть проведена в соответствии с с нормативными документами.
• Проведение маркетинговых исследований с целью изучения перспектив реализации РИД, полученных при выполнении ПНИ включает в себя анализ состояния рынка медицинской лазерной промышленности.
• Проведение технико-экономической оценки результатов ПНИ должно быть проведено в соответствии с с нормативными документами.
• Обобщение и оценка результатов исследований должны быть приведены в отчетных документах по проведенной ПНИ.

Краткая характеристика создаваемой/созданной научной (научно-технической, инновационной) продукции:
1 Описание конечного продукта, создаваемого с использованием результатов, планируемых при выполнении проекта, места и роли проекта и его результатов в решении задачи/проблемы.
• Конечными продуктами, создаваемыми с использованием результатов, получаемых при выполнении ПНИ, являются макет аппарата для лазерной сварки биологических тканей и нанокомпозитный биоприпой. Макет аппарата включает в себя излучающее лазерное устройство, систему подачи нанокомпозитного припоя на место сваривания рассеченной биоткани, систему контроля состояния сварного шва и смежных биотканей в процессе сваривания и систему обратной температуры нанокомпозитного биоприпоя и смежных биотканей в процессе сваривания с режимом работы излучающего устройства. Нанокомпозитный припой реализуется на основе водно-белковой дисперсии углеродных нанотрубок.
• Место и роль проекта (ПНИ) и его результатов в решении задачи/проблемы восстановления сплошности рассеченных биотканей определяются полнотой решения задачи/проблемы, имеющей большое народно-хозяйственное значение и направленной также на импортозамещение существующей медицинской лазерной техники.
2 Оценка элементов новизны научных (технологических) решений, применявшихся методик.
Конструкция разрабатываемых в рамках ПНИ макета аппарата для лазерной сварки биологических тканей и состава нанокомпозитного припоя охраноспособны и должны быть защищены подготавливаемыми заявками на патентование. Научные результаты, полученные в рамках ПНИ, полностью обоснованы, находятся на уровне лучших мировых достижений в области нанотехники и биоинженерии и могут быть эффективно использованы в технологии изготовления макета аппарата и нанокомпозитного припоя для сварки биотканей с целью использования в современной медицинской технике.
3 Сопоставление с результатами аналогичных работ, определяющими мировой уровень.
Научные и технологические решения, осуществляемые в рамках ПНИ, полностью оригинальны и также, как методики исследований, находятся на мировом уровне и частично его превосходят.
4 Пути и способы достижения заявленных результатов, ограничения и риски.
Пути и способы достижения результатов проводимой ПНИ определяются полнотой проведенных исследований и обоснованностью научно-технических результатов. Получаемые материалы проекта апробированы на ряде отечественных и международных конференций и публикуются в авторитетных научных изданиях. Ограничения и риски достижения заявляемых результатов зависят в основном от финансирования ОКР по результатам ПНИ и конъюнктуры рынка аналогичной лазерной медицинской продукции.

Назначение и область применения, эффекты от внедрения результатов проекта:
1 Описание областей применения планируемых результатов (области науки и техники, отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результат или планируемая на их основе инновационная продукция).
К областям науки и техники применения планируемых результатов относятся лазерная медицина и лазерная нанотехнология. Отрасли промышленности и социальной сферы, в которых могут использоваться результаты ПНИ, а также создаваемая инновационная продукция, представляют собой медицинские и учебные учреждения России, к профилю деятельности которых относятся лазерная хирургия и репарационная медицина.
2 Описание практического внедрения планируемых результатов или перспектив их использования.
Практическое внедрение планируемых результатов ПНИ и может быть основано на внедрении в Открытом акционерном обществе «Зеленоградский инновационно-технологический центр» - индустриальном партнере ПНИ и в сотрудничестве с Зеленоградской компанией ОКБ «Булат», производящей лазерное сварочное оборудование и технологии и являющейся сторонней организацией в рамках ПНИ.
3 Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие научно-технических и технологических направлений, разработку новых технических решений; на изменение структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы.
Планируемые результаты ПНИ должны внести весомый вклад в развитие научно-технических и технологических направлений в области лазерной медицины и лазерной нанотехнологии, что определяется оригинальностью решаемой задачи и новизной получаемых научных результатов ПНИ в рамках нового научного направления «Лазерная наноинженерия», предложенного и развиваемого исполнителями ПНИ. Влияние на разработку новых технических решений должна внести данные об уникальных свойствах разрабатываемых биосовместимых нанокомпозиционных и дисперсных материалов и методик их получения. Возможные изменения структуры производства и потребления товаров и услуг в соответствующих секторах рынка и социальной сферы будут определяться дальнейшей деятельностью в рамках предлагаемой ОКР на тему: «Разработка и выпуск опытных образцов аппарата для лазерной сварки биологических тканей».
4 Оценка или прогноз влияния планируемых результатов на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры.
Планируемые результаты ПНИ могут влиять на развитие исследований в рамках международного сотрудничества, развитие системы демонстрации и популяризации науки, обеспечение развития материально-технической и информационной инфраструктуры путем научных публикаций и участия исполнителей ПНИ в работе российских и международных научно-практических конференций и выставок, что частично уже осуществляется в рамках ПНИ.

Текущие результаты проекта:
• Разработаны метод и программное обеспечение для визуализации процесса лазерной сварки биотканей и технология изготовления нанокомпозитного припоя. Проведены комплексные исследования с целью выбора эффективных составов припоев и изготовлен экспериментальный образец припоя (концентрация углеродных нанотрубок 1,3 г/л, плотность 1100 кг/м3, вязкость 5 мм2/с, твердость 200 МПа, объем пор 0,3 см3/г, диаметр пор 80 нм, прочность на разрыв сварных швов биологических тканей 4 МПа). Разработаны программы и методики испытаний экспериментальных образцов нанокомпозитного припоя и макета аппарата для лазерной сварки биотканей.
• Разработано программное обеспечение для контроля и управления макетом аппарата для лазерной сварки биотканей и эскизный проект макета аппарата. Разработан алгоритм управления макетом аппарата для лазерной сварки биологических тканей. Проведены испытания экспериментального образца нанокомпозитного припоя для лазерной сварки биотканей. Концентрация углеродных нанотрубок 0,5-3 г/л, плотность 1000-1200 кг/м3, кинематическая вязкость 1-10 мм2/с, твердость образца 150-300 МПа, объем пор 0,1-0,5 см3/г, диаметр пор 10-100 нм, прочность на разрыв сварных швов биологических тканей 0,5-8 МПа.
• Разработаны элементы излучающей системы макета аппарата для лазерной сварки на длинах волн 0,81 и 0,97 мкм, с мощностью излучения на выходе оптоволокна до 10 Вт, и систем визуализации процесса лазерного сваривания в области сварного шва и соседних биотканей, термостабилизации процесса сваривания и подачи нанокомпозитного припоя в зону лазерного сваривания биотканей. Разработаны образцы лазерных сварных швов с объемным наноуглеродным каркасом для осуществления процесса самоорганизации в области сваривания, при восстановлении трехмерной структуры биотканей. Разработана методика отбора и культивирования для специального носителя клеток – аналога естественной биологической матрицы, создаваемого на основе биосовместимого нанокомпозитного материала.
• Изготовлены элементы излучающей системы макета малогабаритного аппарата для лазерной сварки рассеченных биотканей и органов и систем визуализации процесса лазерного сваривания в области сварного шва и соседних биотканей, термостабилизации процесса сваривания и подачи нанокомпозитного припоя в зону лазерного сваривания биотканей. Особенностью макета аппарата является осуществление обратной связи между температурой зоны сваривания и мощностью лазерного излучателя.