Ученые Донского государственного технического университета работают над созданием кератопротеза (протеза роговицы глаза) с улучшенными характеристиками и меньшей себестоимостью по сравнению с представленными на рынке.
Исследования инициировал и курирует ведущий научный сотрудник НОЦ «Материалы» ДГТУ, заведующий кафедрой офтальмологии РостГМУ, к. м. н., доц. Александр Епихин.
Исследователям предстоит решить не прямую задачу (создать материал, свойства которого известны), а обратную – подобрать максимально подходящий материал из большого количества вариантов, что представляет определенную технологическую сложность.
– Основные вопросы, в которых предстоит особенно тщательно разбираться, – идентификация механических свойств роговицы, выбор пористых функционально градиентных материалов, в том числе полимерных, изготовленных с помощью 3D-печати, для конструкции крепления оптической части протеза, – прокомментировал участник проекта, заведующий кафедрой теоретической и прикладной механики ДГТУ Аркадий Соловьев.
Роговица представляет собой упругий, пористый, наполненный жидкостью материал (пороупругий водонасыщенный материал). Она состоит из нескольких слоев, причем каждый слой обладает уникальными свойствами. Для того чтобы изучить все эти свойства, необходимо провести ряд испытаний, включая и индентирование (погружение жесткого предмета в материал), которое позволит определить соотношение прилагаемой силы с глубиной внедрения индентора в материал, а также проследить за изменениями на его поверхности. Результаты этих испытаний будут служить дополнительной информацией для решения обратной задачи идентификации механических свойств роговицы. После определения этих свойств, поясняют участники проекта, можно будет решить прямую задачу определения напряжения в элементах конструкции их деформаций и выбрать материалы, которые могут уменьшить возникающие напряжения.
– Решение прямой задачи состоит из нескольких этапов: математическое моделирование; геометрическое моделирование – создание CAD-моделей, Сomputer-aided design; аналитические расчеты в виде формул, а также численные расчеты с применением CAE, Computer-aided engineering, – рассказал Аркадий Соловьев. – Помимо математических и механических задач наши специалисты производят расчеты физических и химических моделей с помощью лицензированных пакетов ANSYS, универсальной программной системы конечно-элементного анализа.
По словам ученых, «донорского материала статистически меньше потребности» – при этом он должен быть жизнеспособным, биологически чистым и по физическим характеристикам соответствовать роговице реципиента. Вследствие чего стоимость пересадки донорской роговицы обходится пациенту в среднем в 300 тысяч рублей, при отсутствии гарантий ее прозрачного приживления. Поэтому важно не только создать такой искусственный протез, который будет максимально приближен к физическим характеристикам роговицы пациента и гарантировать прозрачность оптической зоны, но и сделать его недорогим.
Кроме того, предстоит решить техническую проблему, с которой столкнулись офтальмохирурги при установке кератопротезов: при взаимодействии опорной части протеза с роговицей разрушаются мягкие ткани, и протез выталкивается внутриглазным давлением. Задача ученых – нивелировать эти процессы за счет поиска биосовместимых материалов и подходящего крепления. Для этого используются различные материалы, но их жесткость значительно превосходит жесткость тканей роговицы. По мнению участников проекта, решение этой задачи может быть найдено при переходе от металлов к функционально-градиентным полимерам либо за счет совместного использования обеих групп материалов.
Кроме того, исследователи работают над тем, чтобы увеличить оптическую часть искусственной роговицы (чаще всего изготавливается из прозрачного пластика) и тем самым расширить угол обзора. Для предотвращения отторжения или повреждения роговицы в области контакта с оптической частью протеза ученые планируют использовать промежуточный слой с радиально неоднородными свойствами.
Исследование проводится в рамках мегагранта Правительства РФ № 220 за 2018–2022 годы по теме «Биомеханика тканей полости рта и глазного яблока и оптимизированные биосовместимые материалы для имплантации».