Для расширения кровеносных сосудов и поддержания достаточного потока крови в организме человека врачи используют коронарные стенты, изготовленные из металлических сплавов и биополимеров. Наиболее частая проблема при эксплуатации такого медицинского устройства — его перелом с последующим повреждением артерий. Чтобы управлять свойствами изделий и уметь задавать их структуру, ученые Пермского Политеха разработали двухуровневую математическую модель поддерживающего «каркаса» и на макроскопическом уровне (на уровне зерен стали, из которой он изготовлен) выявили наиболее опасные виды деформирования при раскрытии стента с баллонным расширением внутри сосуда. Полученная технология предотвратит разрушение в процессе установки в орган и поможет устройствам оставаться долговечными при дальнейшем функционировании, решая тем самым важнейший вопрос биомеханики.
Результаты работы опубликованы в высокорейтинговом журнале Materials. Установка стента — специального каркаса, который помещается в просвет полых органов человека или животного, — обеспечивает расширение участка, суженного патологическим процессом. Зачастую стенты при раскрытии внутри сосуда деформируются и могут быть повреждены вплоть до полного разрушения. Чтобы устранить основные направления перелома части конструкции, политехники построили двухуровневую матмодель биосовместимого устройства из нержавеющей стали и изучили влияние размера зерен, из которых оно состоит, на характер деформирования.
«Моделирование было выполнено с помощью программы, в которой заложены физические механизмы и процессы деформирования на макро- и мезоуровне. Рассматривая фрагмент стента из стали, мы установили, что он состоит из примерно 350 зерен, а ориентация их кристаллических решеток в пространстве задается по случайному равномерному закону распределения», — поделился младший научный сотрудник лаборатории многоуровневого моделирования конструкционных и функциональных материалов ПНИПУ Роман Герасимов.
«Исследование показало, что, нижняя часть «каркаса» для сосудов раскрывается значительнее, нежели середина, а верхняя часть не раскрывается. Оказалось, что одним из критически важных факторов для развития процессов разрушения стента является средний размер зерен в поликристалле и может варьироваться от 10 до 30 микрометров», — сообщил проректор по приоритетным проектам ПНИПУ, доцент факультета прикладной математики и механики Павел Волегов.
Полученные на макро- и мезоскопическом уровне данные позволят биотехнологам управлять свойствами изделий, задавать их структуру, предотвращая тем самым разрушения в процессе установки в сосуд человека.
По словам ученых, биомедицина переходит к решениям, направленным на потребности конкретных пациентов. Технология значительно улучшит восстановление сердечно-сосудистых тканей и рекомендуется пациентам с ишемической болезнью сердца, стенокардией, атеросклерозом сосудов, пред- и постинфарктным состоянием, а также риском возникновения сердечной недостаточности.
Исследование ученых ведется в рамках программы по Постановлению Правительства и при поддержке РФФИ и Пермского края. Разработка выполнена в рамках Программы академического стратегического лидерства «Приоритет-2030».