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 проекта 24-75-10048
НазваниеРазработка протезов клапанов сердца нового поколения, устойчивых к структурной клапанной дегенерации, на основе биосовместимых композиционных материалов и численных методов оптимизации
Руководитель Костюнин Александр Евгеньевич, Кандидат биологических наук
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Научно-исследовательский институт комплексных проблем сердечно-сосудистых заболеваний" , Кемеровская обл (Кузбасс)
Конкурс №98 - Конкурс 2024 года «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными
Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины; 05-101 - Экспериментальная медицина
Ключевые слова Протезы клапанов сердца, полимерные клапаны сердца, структурная дегенерация клапанов, композиционные материалы, поливиниловый спирт, криогели, численные методы оптимизации, пороки клапанов сердца, сердечно-сосудистая хирургия
Код ГРНТИ76.29.46
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
На сегодняшний день главным методом лечения пороков клапанов сердца служит протезирование, выполняемое через эндоваскулярное вмешательство или открытым хирургическим способом. Большинство имплантируемых протезов изготовлены из стабилизированных тканей животного происхождения и подвержены дегенерации в долгосрочном периоде, приводящей к развитию протезных дисфункций. Необходимость замены несостоятельных протезов сопряжена с высоким риском осложнений и летальности. В связи с этим, проблема дегенерации (разрушения) протезов клапанов сердца обуславливает поиск новых материалов и конструктивных решений. Исходя из этой потребности, заявленный проект ориентирован на фундаментальные и прикладные исследования по разработке искусственных клапанов сердца из композиционных полимерных материалов. Такие изделия призваны преодолеть существующие ограничения современных клапанных заменителей, используемых в клинической практике.
Основные направления проекта сфокусированы на выборе и обосновании композиционной структуры материалов, разработке технологии проектирования и создания отдельных компонентов протеза и конструкции в сборе, прототипировании образцов, проведении стендовых испытаний и экспериментов на моделях лабораторных животных. Ввиду комплексности проблемы, ее решение в рамках проекта будет выполнено с применением следующих подходов (см. файл с дополнительной информацией):
1) разработки композитов на основе ПВС-гидрогелей, усиленных биологическим или синтетическим армирующим слоем из нетканых волокнистых структур;
2) тестирования механических и биосовместимых свойств полученных композитов in vitro;
3) инженерным изысканиям по проектированию каркасных и транскатетерных протезов на основе численного моделирования и методов автоматической оптимизации;
4) Валидации выбора композиционных материалов, инженерных и технологических решений на серии изготовленных прототипов протезов и их стендовых испытаний, а также на основе тестирования in vivo (в том числе в крысиной модели подкожной имплантации материалов и ортотопической имплантации экспериментальных протезов в позицию митрального клапана овцы) с последующим углубленным анализом эксплантатов.
Фундаментальным аспектом проекта станет исследование взаимодействия новых композитных материалов со свертывающей и иммунной системой организма реципиента, выявление ключевых факторов клапанной дегенерации. Будет произведена комплексная оценка био- и гемосовместимости полимерных композицонных материалов благодаря проведению широкой серии in vitro и in vivo тестов с полуколичественным анализом. Наконец, разработанные, реализованные и апробированные алгоритмы проектирования и оптимизации компонентов протеза клапана сердца станут основой для прикладного применения в рамках прототипирования опытных образцов.
Сочетание предложенных композитов, подходов к проектированию и прототипированию, позволит достигнуть структурных и функциональных свойств материалов, необходимых для создания и первичного доклинического испытания “идеального” клапанного протеза. Проект учитывает как существующую потребность разработки протезов для открытого хирургического вмешательства, так и активно развивающийся тренд использования малоинвазивных транскатетерных устройств, поэтому прикладной блок работ по созданию и исследованию композиционного протеза будет адаптирован и для обоснования собственной транскатетерной конструкции. В конечном итоге, реализация проекта направлена на достижение прогресса в области кардиохирургии, предоставление пациентам доступа к более совершенным и безопасным методам лечения.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Работы, запланированные в рамках первого (2024-2025) года реализации настоящего грантового проекта, включали три крупных блока исследований.
Первым направлением стало изготовление и in vivo-тестирование экспериментальных протезов клапанов сердца, выполненных из композиционного материала на основе криогеля поливинилового спирта и эпоксиобработанного перикарда крупного рогатого скота. Всего нами подготовлено пять прототипов клапанов, дизайн которых был идентичен таковому клинически используемых биопротезов модели "ЮниЛайн". При in vitro-тестировании экспериментальные медицинские изделия продемонстрировали удовлетворительные гидродинамические характеристики, соответствующие требованиям ГОСТ 31618.1-2012. Четыре из них успешно имплантировали в положение митрального клапана самкам домашней овцы, тогда как группой контроля стали пять протезов марки "ЮниЛайн". Последующие наблюдения, выполненные посредством трансторакальной эхокардиографии, показали сопоставимую гемодинамическую эффективность разработанных нами прототипов и контрольных клинических протезов в течение трех месяцев имплантации. Дальнейшие эхокардиографические исследования, а также макро- и микроскопическое изучение клапанов после эксплантации, запланированной через 6 месяцев от начала экспериментов (в июле-августе 2025 года), позволят сделать вывод об устойчивости композиционного материала на основе криогеля и ксеноперикарда к структурной дегенерации в организме реципиента.
Второе направление, разрабатываемое в рамках первого года реализации проекта, заключалось в модернизации композита, в частности, поиске решения по замене его армирующего слоя с биологического (эпоксиобработанный ксеноперикард) на синтетический. В результате проведенных работ была разработана методика получения нерастворимых в воде электроспиннинговых матриц из поливинилового спирта, а также композита с криогелем на их основе. В целом, полученный материал потенциально пригоден для изготовления створчатого аппарата полимерного протеза клапана сердца, однако некоторые опасения вызывает его меньшая (примерно в 2 раза) прочность по сравнению с эталонным материалом – эпоксиобработанным бычьим перикардом. Для решения указанной проблемы на втором (2025-2026) году реализации настоящего проекта мы планируем ввести в состав композита дополнительные компоненты (такие как волокна полиуретана/поликарбонат уретана) для улучшения его механических характеристик.
Наконец, третьим направлением работ первого года стала разработка и апробация алгоритма оптимизации каркаса протеза клапана сердца. Алгоритм представляет собой двухэтапную последовательность определения геометрии – основной формы за счет пришивного края створчатого аппарата и второстепенных параметров, за счет толщины каркаса с оценкой возможности его перспектив прототипирования из различных материалов. В основе алгоритма трехкомпонентная архитектура: генератор геометрии, численное моделирование и оптимизатор. Проведенное численное моделирования определило характеристики каркаса с учетом совместимости со створчатым аппаратом, анализом с учетом прочности и усталостной долговечности. Прикладным итогом работы стали 3Д-модели для последующего прототипирования.
По результатам первого (2024-2025) года выполнения проекта опубликована 1 научная статья в Сибирском журнале клинической и экспериментальной медицины (Scopus). Результаты проекта доложены на XXVIII Ежегодной Сессии «НМИЦ ССХ им. А.Н. Бакулева» с Всероссийской конференцией молодых ученых (18-20 мая 2025г., Москва).
Публикации
1. Клышников К.Ю., Костюнин А.Е., Онищенко П.С., Глушкова Т.В., Акентьева Т.Н., Борисова Н.Н., Кутихин А.Г., Овчаренко Е.А. Гидродинамическая эффективность композитного протеза клапана сердца Бюллетень сибирской медицины (год публикации - 2025)