КАРТОЧКА
ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ
Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Номер 22-22-00751
НазваниеИзучение реологических параметров материалов для тканевой инженерии
РуководительЦысарь Сергей Алексеевич, Кандидат физико-математических наук
Прежний руководитель Крит Тимофей Борисович, дата замены: 12.04.2023
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2022 г. - 2023 г. |
Конкурс№64 - Конкурс 2021 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-404 - Физическая акустика
Ключевые словагидрогели, реологические параметры, время релаксации, сдвиговые волны, тканевая инженерия, модели Максвелла и Фойгта, нелинейность, параметры Ландау, резонатор, метод интерферометра, доплеровский метод
Код ГРНТИ29.37.15
СтатусУспешно завершен
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Проект направлен на решение научной проблемы установления взаимосвязи между реологическими параметрами и характеристиками сдвиговых волн в вязкоупругих средах типа гидрогелей. Времена релаксации гидрогелей определяют частотные зависимости скорости сдвиговых волн и времени их затухания. Проблема стала актуальной в связи с развитием методов тканевой инженерии. Гидрогели используются в качестве матрицы для тканевой инженерии. Измерение вязкоупругих свойств гидрогелей и создание адекватных моделей этих материалов является поэтому важной практической задачей. Основная задача проекта – разработка методик и изучение реологических параметров (времен релаксации) в вязкоупругих средах типа гидрогелей. Будет решена задача измерения сдвигового модуля и сдвиговой вязкости материалов в широком диапазоне частот, что позволит правильно прогнозировать отклик гидрогелей на импульсные механические воздействия. Фундаментальное значение проводимого исследования заключается в создании физических моделей, которые приведут к дальнейшему развитию представлений о вязкоупругих свойствах гелеобразных сред.
Гидрофильные гели, называемые гидрогелями, представляют собой сшитые материалы, абсорбирующие большие количества воды без растворения. Мягкость, гибкость и способность удерживать воду делают гидрогели уникальными материалами. Среди основных ограничений использования гидрогелей для тканевой инженерии – недостаточное исследование их механических характеристик. Особенные свойства материалов из искусственных волокон делают полимерные нановолокна оптимальными кандидатами для множества различных и важных применений в области фильтрации, сенсоров, фотоники или биомедицины и нанопрепаратов.
В проекте планируется развить известные модели типа Максвелла и Фойгта на случай достаточно интенсивных воздействий, когда материалы начинают проявлять нелинейные свойства. Для изучения планируется использовать как новые перспективные методики, так и уже разработанные и хорошо зарекомендовавшие себя методики, развиваемые в научном коллективе в течение нескольких лет. Для решения поставленных в проекте задач особенно перспективным является бесконтактный метод измерения сдвиговых и поверхностных волн с помощью лазерного виброметра. Для измерения локального частотного отклика будет использованы методы атомной силовой микроскопии. Измерение глубины погружения кантилевера АСМ и затухания его колебаний позволят оценить локальный модуль сдвига и вязкость материала. Результаты новых методик будут сравниваться с результатами измерений, полученных методом резонатора, когда в материале возбуждаются стоячие волны и измеряются резонансные частоты и ширина резонансной линии. Планируется также использовать доплеровский метод измерения скорости и затухания сдвиговых волн, возбуждаемых низкочастотным вибратором как в непрерывном, так и импульсом режимах. В качестве сред будут использованы различные гидрогели на основе желатина и агара, а также полимерный материал пластисол. Исследования и их предполагаемые результаты отвечают необходимым критериям научной новизны. Подобные исследования ранее не проводились, либо результаты таких исследований в открытых источниках не опубликованы. Таким образом, проект направлен на развитие новой для научного коллектива тематики.
С фундаментальной точки зрения установления взаимосвязи между реологическими параметрами и характеристиками сдвиговых волн в гелеобразных средах приведёт к дальнейшему развитию представлений о вязкоупругих свойствах таких сред, позволит более детально изучить зависимости реологических параметров от способа воздействия на среду. В конечном счёте появятся уточнённые физические модели гелеобразных сред. Практическое значение заключается в применении полученных результатов для моделирования гидрогелей и создания высокоточных методов измерения их упругих свойств. Актуальность детального исследования гидрогелей обусловлена тем, что гидрогели используются в качестве матрицы для тканевой инженерии.
Все участники коллектива образуют одну научную группу. Внутри научной группы налажено взаимодействие, которое обеспечивает успешную совместную реализацию проектов. Руководитель данного проекта имеет успешный опыт руководства проектом РНФ. Руководитель и исполнители ранее на протяжении нескольких лет выполняли ряд проектов, поддержанных РНФ и другими научными фондами, в качестве руководителей или исполнителей.
Научный коллектив располагает собственной лабораторией, оснащённой современным высокоточным оборудованием для проведения запланированных в рамках данного проекта научных экспериментов и обработки результатов, а также имеет доступ к оборудованию центра коллективного пользования физического факультета МГУ организации.
Полученные ранее результаты, разработанные программы и методы опубликованы членами коллектива в ряде высокорейтинговых научных изданий, индексируемых Web of Science и Scopus.
Ожидаемые результаты
1. Предполагается разработать методику измерения реологических параметров в вязкоупругих средах типа гидрогелей. Ожидается получить результаты сравнительного анализа методик в разных средах, а также сравнение полученных значений, измеренных для одних и тех же материалов посредством различных независимых методик. Предполагается получить частотные зависимости вязкоупругих параметров гелеобразных сред. Ожидается, что отдельно будут получены зависимости, соответствующие отклику гелеобразных сред на импульсные и непрерывные воздействия, а также на внешние гармонические воздействия различной частоты. Данный результат является значимым, поскольку позволит в тканевой инженерии предусматривать разные типы нагрузок, которые обычно испытывают реальные биологические ткани.
2. Доплеровским методом будут измерены реологические параметры вязкоупругих сред типа гидрогелей. Для измерений будет сконструирована экспериментальная установка. Предполагается путём обработки модулированных сигналов провести восстановление профилей колебательной скорости. Ожидается разработка алгоритма измерения частоты колебаний, разности фаз, амплитуды и скорости распространения сдвиговой волны путём обработки профилей колебаний. Значимость данного результата обусловлена возможностями его практического использования при создании диагностических приборов для промышленных и медицинских целей.
3. Предполагается разработать алгоритм измерения модуля сдвига гидрогелей методом акустического резонатора. Для реализации метода будет сконструирован акустический резонатор в виде слоя гелеобразной среды, закреплённого между двумя плоскими твердотельными границами. Предполагается разработать алгоритм измерения зависимости модуля сдвига от степени деформации среды. Данный результат представляется значимым, с точки зрения разработки алгоритма измерения коэффициента сдвиговой вязкости гидрогелей по ширине резонансных линий.
4. Предполагается разработать алгоритм измерения зависимости модуля сдвига гидрогелей от частоты. Ожидается создание метода определения скорости сдвиговой волны по измеренной частотной зависимости модуля сдвига. Предполагается создание алгоритма определения частотной зависимости коэффициента сдвиговой вязкости на основе измеренных значений ширины нескольких резонансных линий. Результат является значимым для создания полноценного метода измерения частотных зависимостей модуля сдвига, скорости сдвиговых волн и коэффициента сдвиговой вязкости.
5. Ожидается разработка алгоритма измерения времени затухания сдвиговых волн в гидрогелях. Планируется представить алгоритм измерения отклика гидрогелей на импульсные механические воздействия (удары). Результаты измерений с использованием данного алгоритма будут проверены независимыми методами, в частности, при помощи атомной силовой микроскопии. Значимость данного результата заключается в создании вязкоупругой модели гидрогелей, основной отличительной особенностью которой будет описание отклика гелеобразной среды на импульсные механические воздействия (удары).
6. Предполагается разработка модели гидрогелей, включающей их реологические параметры. Ожидается, что модель будет построена на основе измеренных частотных зависимостей вязкоупругих параметров гидрогелей. Планируется модификация созданных в рамках проекта моделей на случай достаточно интенсивных воздействий, когда материалы начинают проявлять нелинейные свойства. Данный результат представляется значимым, с точки зрения дальнейшего развития известных моделей типа Максвелла и Фойгта для их использования при описании вязкоупругих свойств гидрогелей.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2022 году
В отчётном периоде были проделаны все запланированные работы. Перечень и подробное описание проделанных работ приводятся в порядке их указания в заявке.
1. Проведён сравнительный анализ результатов измерений при помощи одинаковых или схожих методик в разных средах. Проведено сравнение полученных значений, измеренных для одних и тех же материалов посредством различных независимых методик. Проанализированы результаты проведённых ранее измерений вязкоупругих свойств резиноподобных сред. Обнаружены изменения вязкоупругих параметров гелеобразных сред, происходящие при изменении характера и частоты внешнего воздействия на них. Определены различия в отклике гелеобразных сред при импульсном и непрерывном воздействии, а также по мере изменения частоты внешнего гармонического воздействия. По результатам подготовлен доклад на конференцию и публикация в издании, индексируемом Scopus.
2. Сконструирована экспериментальная установка для измерения реологических параметров в вязкоупругих средах типа гидрогелей доплеровским методом. Восстановлены профили колебательной скорости путём обработки модулированных сигналов. Измерены частота колебаний, разность фаз, амплитуда и скорость распространения сдвиговой волны по результатам анализа профилей колебаний. По результатам подготовлен доклад на конференцию.
3. Изготовлен акустический резонатор в виде слоя гелеобразной среды, закреплённого между двумя плоскими твердотельными границами. Сконструирована экспериментальная установка, в которой к одной из границ резонатора приложена периодическая сила, под действием которой граница совершает колебания вместе с частицами среды. Измерена частотная зависимость амплитуды стоячей волны. Реализована методика измерения модуля сдвига среды. Разработана методика измерения резонансной частоты от амплитуды внешней силы. Измерена зависимость модуля сдвига от степени деформации среды. Измерен коэффициент сдвиговой вязкости, исходя из данных о ширине резонансных линий. По результатам предполагается подготовлен доклад на конференцию и публикация в издании, индексируемом Scopus.
В результате проделанной работы, получены сформулированные далее результаты.
1. Разработана методика измерения реологических параметров в вязкоупругих средах типа гидрогелей. Получены результаты сравнительного анализа методик в разных средах, а также проведено сравнение полученных значений, измеренных для одних и тех же материалов посредством различных независимых методик. Измерены частотные зависимости вязкоупругих параметров гелеобразных сред. Отдельно получены зависимости, соответствующие отклику гелеобразных сред на импульсные и непрерывные воздействия, а также на внешние гармонические воздействия различной частоты.
2. Доплеровским методом измерены реологические параметры вязкоупругих сред типа гидрогелей. Для измерений сконструирована экспериментальная установка. Путём обработки модулированных сигналов проведено восстановление профилей колебательной скорости. Разработан алгоритм измерения частоты колебаний, разности фаз, амплитуды и скорости распространения сдвиговой волны путём обработки профилей колебаний.
3. Разработан алгоритм измерения модуля сдвига гидрогелей методом акустического резонатора. Для реализации метода сконструирован акустический резонатор в виде слоя гелеобразной среды, закреплённого между двумя плоскими твердотельными границами. Разработан алгоритм измерения зависимости модуля сдвига от степени деформации среды. Разработан алгоритм измерения коэффициента сдвиговой вязкости гидрогелей по ширине резонансных линий.
Публикации
1. Сага М., Крит Т.Б., Сагова З., Асфандияров Ш.А., Андреев В.Г., Якимович Б.А., Кувшинов В.В. Measurement of the nonlinear shear modulus in a gel-like medium applying the additional static stress to the acoustical resonator MM SCIENCE JOURNAL, 5 (год публикации - 2022)
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
За отчетный период были выполнены все работы, запланированные в исходной заявке, в результате чего были получены следующие результаты.
1. Создана экспериментальная система регистрации колебаний малоинерционных отражателей в сдвиговой волне с помощью лазерного сканирующего виброметра, которая позволяет по измерению амплитуды и фазы колебательной скорости сдвиговых волн, возбуждаемых одномерным источником в виде узкого прямоугольного бруска в гелеобразной среде, определять скорость и коэффициент затухания сдвиговых волн. Разработан алгоритм определения частотной зависимости коэффициента сдвиговой вязкости на основе измеренных значений ширины нескольких резонансных линий. Измерены значения амплитуд и фаз сдвиговых волн в непрерывном режиме, по результатам которых определены частотные зависимости скорости и коэффициента затухания сдвиговых волн. По результатам подготовлена статья в издании, индексируемом в РИНЦ, WoS, Scopus.
2. Представлен алгоритм измерения времени затухания сдвиговых волн в гидрогелях на основе экспериментальных данных колебаний рассеивателей в образцах пластисола и желатина доплеровским ультразвуковым методом и методом лазерной виброметрии. Разработан алгоритм измерения отклика гидрогелей на импульсные механические воздействия, которые реализовывались при подаче на вибратор коротких сигналов миллисекундной длительности. Погрешность вычисления фазовой скорости сдвиговых волн (определяемая разбросом измеренных фаз) не превысила 4 %. В рамках создания вязкоупругой модели гидрогелей для описания отклика гелеобразной среды на импульсные механические воздействия было показано, что в экспериментально реализуемых случаях справедливо линейное описание систем, поэтому целесообразно использовать модель в виде параллельной комбинации упругого элемента и последовательно соединенного демпфера с другим упругим элементом. Показано, что результаты импульсных измерений находятся в соответствии с результатами измерений в непрерывном режиме с высокой точностью до 10%. По результатам подготовлена статья в издании, индексируемом в РИНЦ, WoS, Scopus.
3. При помощи атомной силовой микроскопии проведено микроиндентирование полимерного образца жестким кантилевером. Результаты микроиндентирования (силовые кривые) проанализированы с помощью двух моделей – DMT (Derjagin, Muller, Toropov – Дерягина, Мюллера, Топорова) и JKR (Johnson, Kendall, Roberts – Джонсона, Кендала, Робертса), проведено сравнение с моделью Герца. По результатам анализа получены значения модуля сдвига в каждой точке. Построены карты распределения модуля сдвига и графики распределения модуля сдвига по выбранным направлениям. Рассчитаны дисперсии значений модуля сдвига, полученных с помощью разных моделей. Сделан вывод о том, что модель JKR показывает меньший разброс значений, а значит может считаться более точной в рамках рассматриваемых измерений. По результатам подготовлен доклад на конференцию и публикация в издании, индексируемом РИНЦ.
4. Разработана модель гидрогелей, включающая их реологические параметры. Модель с одним временем релаксации и двумя (статическим и динамическим) модулями сдвиговой упругости построена с использованием измеренных частотных зависимостей вязкоупругих параметров гидрогелей на основе развития известных моделей типа Максвелла и Фойгта для их использования при описании вязкоупругих свойств гидрогелей. Показано, что более подробные модели с несколькими временами релаксации для экспериментальных данных на имеющихся образцах могут вносить дополнительные ошибки и для определенных экспериментальных кривых являться неустойчивыми. Полученные в рамках выбранной модели параметры статического и динамического модулей сдвиговой упругости совместно с релаксирующей вязкостью полностью определяют вязкоупругие свойства рассмотренной гелеобразной среды в рассматриваемом диапазоне частот (до 500 Гц) и позволяют достаточно точно описать распространение упругих волн в такой среде. По результатам подготовлена статья в издании, индексируемом в РИНЦ, WoS, Scopus.
5. Проведена характеризация полей многоэлементных фокусированных ультразвуковых преобразователей для определения структуры генерируемых сдвиговых волн при их генерации в образцах воздействием высокоинтенсивного импульсного УЗ поля для экспериментального расширения моделей на случай достаточно интенсивных воздействий, когда материалы начинают проявлять нелинейные свойства. Проведена обработка результатов измерений полей в предфокальной области фокусированных преобразователей в воде методом акустической голографии. Обнаружено искажение формы фокального пятна и выявлена его причина в виде отклонения фазы колебательной скорости на элементах от заданных значений для одного из излучателей. Разработан метод компенсации фазовых отклонений поканальным введением рассчитываемых из голограммы коэффициентов в управляющую систему для режима генерации сигналов. Показано, что предложенный метод с высокой точностью (до 10% по фазовому распределению на поверхности источника и до 5% по отклонению амплитуды в фокальной области) восстанавливает номинальные рабочие параметры многоэлементной решётки. По результатам подготовлен доклад на конференцию и публикация в издании, индексируемом в РИНЦ, WoS, Scopus.
Публикации
1. Асфандияров Ш.А., Агафонов А.А., Коробов А.И., Андреев В.Г. Лазерная виброметрия сдвиговых волн в слое гелеобразной среды Акустический журнал, т. 69, № 6, с. 792-799 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.31857/S0320791923600634
2. Крит Т.Б., Байназаров Т.Р., Гришин П.Н., Марчук Ф.Ю., Андреев В.Г. Локальные измерения упругости гелеобразных материалов методом микроиндентирования Сборник трудов XXXV сессии Российского Акустического Общества, т. XXХV, с. 826-833 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.34756/GEOS.2023.17.38540
3. Пономарчук Е.М., Юлдашев П.В., Николаев Д.А., Цысарь С.А., Миронова А.А., Хохлова В.А. Nonlinear ultrasound fields generated by an annular array with electronic and geometric adjustment of its focusing angle Acoustical Physics, Vol. 69, No. 4, pp. 459–470 (год публикации - 2023) https://doi.org/10.1134/S1063771023600560
4. Цысарь С.А., Асфандияров Ш.А., Росницкий П.Б., Хохлова В.А., Сапожников О.А. Фазовая коррекция каналов многоэлементной терапевтической решетки с помощью метода акустической голографии Сборник трудов XXXIV Всероссийской школы-семинара «Волновые явления: физика и применения» имени А.П. Сухорукова («Волны-2023»), Т. XXXIV (6), с. 7-8 (год публикации - 2023)
5. Цысарь С.А., Росницкий П.Б., Асфандияров С.А., Петросян С.А., Хохлова В.А., Сапожников О.А. Phase Correction of the Channels of a Fully Populated Randomized Multielement Therapeutic Array Using the Acoustic Holography Method Acoustical Physics, Vol. 70, No. 1 (год публикации - 2024)
Возможность практического использования результатов
Для ряда задач клеточных технологий необходимы матрицы, сохраняющие свою структуру и свойства при контакте с активными биологическими средами в течение длительного времени. Одними из важных характеристик применяемых в тканевой инженерии полимерных матриц являются их прочность и модуль упругости. Для измерения упругости полимеров могут быть использованы разработанные в проекте методы.