Аннотация результатов, полученных в 2020 году
В результате проектирования концепции роторного насоса крови (РНК) основная конструктивная схема основывалась на осевом типе РНК. Принципиальная конструктивная схема состоит из следующих элементов: неподвижная проточная трубка, в которой размещаются основные узлы РНК: неподвижный спрямляющий аппарат на входе; импеллер, с расположенным внутри магнитом, вращающийся со скорость несколько тысяч оборотов в минуту; неподвижный диффузор на выходе. Для оптимизации профиля потока были выбраны роторы с различной геометрией лопаток, т.к. именно ротор оказывает существенное влияние на поток жидкости. Подготовленные геометрические модели роторов отличаются количеством и длинной лопаток. Проведенное математическое численное моделирование течения жидкости в РНК позволило оценить характер работы РНК на различных скоростях вращения ротора в диапазоне от 0,5 до 5,5 л/мин. В результате моделирования течения потока жидкости в РНК были получены значения скалярных касательных напряжений для рабочей точки 4,5 л/мин при 80 мм рт. ст для всех вариантов РНК. В результате моделирования было проведено исследование течения крови в диапазоне от 3,5 до 5,5 л/мин. Отмечается, что с ростом значения расхода количество областей, где векторное поле имеет вихревое течение снижается. Стоит отметить, что при уровне поддержки, соответствующем 3,5 л/мин по расходу, вихревые течения наблюдаются на входе в спрямляющий аппарат перед лопатками импеллера, на входе в диффузор, внутри межлопаточных каналов диффузора и за задним обтекателем диффузора. Наиболее важными областями являются области перед спрямляющем аппаратом, т.к. в зоне спрямляющего аппарата в аналогичных устройствах можно ожидать появления тромба. При уровне поддержки 4,5 и 5,5 л/мин наблюдается существенное снижение вихревых зон, что позволяет говорить о том, что наиболее предпочтительные уровни поддержки соответствуют значениям по расходу от 4,5 до 5,5 л/мин. Проведенные исследования позволили определить оптимальную конструкцию РНК, позволяющую снизить риск повреждения эритроцитов и оптимизировать профиль потока, что позволило минимизировать зоны стагнации и рециркуляции по всей длине РНК. Разработана математическая модель с сосредоточенными параметрами для большого круга кровообращения с возможностью подключения модели РНК. Для выбора оптимального режима работы была проведена серия моделирований в зависимости от скорости вращения ротора по результатом которой была выбрана скорость вращения ротора – 8000 об/мин. При данной скорости вращения ротора достигается необходимый уровень поддержки – скорость кровотока в системе составляет 5.2 л/мин (3.9 л/мин при СН), а среднее давление системных сосудов составляет 96.5 мм рт (75 мм рт.ст. при СН). ст. Математическая модель позволяет оценить взаимодействие в биотехнической системе и подобрать оптимальный вариант поддержки для каждого случая сердечной недостаточности, с учётом индивидуальных особенностей кровообращения, для предотвращения всасываний, обратных токов и обеспечения необходимого уровня кровообращения. Разработана технология формирования покрытия, представляющего собой синтезированные массивы многостенных углеродных нанотрубок (МУНТ) на закругленных поверхностях, имитирующих внутренние детали РНК, методом распылительного пиролиза и химического осаждения из паровой фазы, была продемонстрирована адсорбция молекул органических соединений. Установлено, что одним из наиболее подходящих биополимеров для формирования покрытия на имплантатах, контактирующих с потоком крови, является белок крови альбумин. Альбумин способствует уменьшению как количества адгезированных тромбоцитов, так и степени активации тромбоцитов на поверхности. Определены механизмы взаимодействия бычьего сывоточного альбумина (БСА) с одностенными углеродными нанотрубками (ОУНТ) для формирования нанокомпозитов. Обнаружено, что в твердых нанокомпозитах присутствуют два типа взаимодействия: гидрофобное и с образованием ковалентных связей между молекулами БСА и ОУНТ. Тип взаимодействия зависит от диаметра используемых нанотрубок: гидрофобное наблюдается в случае использования ОУНТ большого диаметра 4 нм, в случае же использования ОУНТ малого диаметра 1,7 нм - ковалентное. Лазерное излучение приводит к инициированию химической реакции между отрицательно заряженными аминокислотными остатками аспарагиновой и глутаминовой аминокислот и нанотрубками и, соответственно, образованию между ними ковалентных связей. Выявленные критерии позволят широко использовать каркасные нанокомпозиты для контроля состояния агрегации клеток крови. В результате дальнейших исследований было установлено, что методом лазерного воздействия на водно-альбуминовую дисперсию ОУНТ формировался нанокомпозит, размер которого соответствовал геометрическим размерам перетяжки сфокусированного излучения. При непрерывном воздействии излучением нанокомпозит образовывался за 600 секунд при нагреве ~ 45 ºС. Под воздействием лазера формируется каркас из углеродных нанотрубок, увеличивающий прочность такого материала. На основе описанной методики разработана технология формирования покрытия на основе ОУНТ. В рамках работ первого этапа было выполнено проектирование стенда для проведения исследований по трассерной визуализации потока (PIV). Помимо гидравлического контура с возможностью исследовать течение жидкости в РНК, была проведена разработка оптической части стенда, с целью фокусировки лазерного излучения в определенных зонах РНК и засвета флуоресцентных микросфер моделирующих движение эритроцитов в потоке крови.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
В ходе выполнения работ научного коллектива по изготовлению макетных образцов и проведению экспериментальных исследований с целью повышения биосовместимости роторных насосов крови в 2021 году были достигнуты следующие результаты: 1. Изготовлен прототип роторного насоса крови СПУТНИК. На основе ранее спроектированной геометрии, были изготовлены составные части прототипа роторного насоса крови Спутник (ПРНК) с оптимизированной геометрией проточной части. В состав ПРНК входят детали, которые непосредственно образуют геометрию лопаточной машины, а именно импеллер, диффузор, спрямляющий аппарат и внутренняя поверхность проточной трубки. Для изготовления составных частей ПРНК рассматривались различные технологические методы изготовления. Наиболее распространенные механические способы обработки материалов для изготовления составных деталей ПРНК применять экономически не целесообразно, поэтому были найдены альтернативные пути изготовления. В частности, это метод трехмерной печати. Для остальных деталей были применены традиционные методы изготовления, такие как точение, фрезерование, сверление, полировка. Для повышения биосовместимости ПРНК и имитации сердечной ткани предложена технология изготовления слоистых композитных покрытий на основе биополимеров: белков крови (альбумина) и соединительной ткани (коллагена), а также аминосахара хитозана, скрепленных сетью из сваренных между собой углеродных нанотрубок [Gerasimenko A.Y. et al. // Composite Structures. 2021. V. 260. С. 113517]. 2. Изготовлен стенд для проведения исследования по трассерной визуализации потока (PIV) Метод цифровой трассерной визуализации – это оптический метод визуализации потока. Он используется для измерения поля мгновенных скоростей и связанных с ним свойств жидкости. Одним из важнейших его преимуществ является отсутствие возмущающего влияния на поток. Принцип метода цифровой трассерной визуализации: В поток жидкости помещаются твердые флуоресцентные частицы. Далее возбуждается флуоресценция частиц лазерным излучением. Изучение частиц фиксируется на камеру. Данные с камеры обрабатываются специализированной программой, которая определяет скорость и движение частиц. Исследовательский стенд для реализации метода цифровой трассерной визуализации потока (PIV) состоит из 3-х частей: гидравлическая часть, оптическая часть, контрольно-управляющая аппаратура. Гидравлическая часть стенда представляет собой замкнутый контур с циркулирующей жидкостью, имитирующую кровь. 3. Проведены PIV исследования роторного насоса крови СПУТНИК. Исследование поля скоростей в ПРНК на основе цифровой трассерной визуализации потоков проводился в двух областях (в спрямляющем аппарате и в диффузоре) и нескольких режимах работы. Для эксперимента были выбраны 3 режима работы с различными объёмными потоками и при одинаковом перепаде давлений (80 мм. Рт. ст.): номинальный (4,5 л/мин), низкий расход (3 л/мин) и высокий расход (6 л/мин). Данным режимам соответствуют следующие скорости вращения ротора модели: 7800 об/мин, 8200 об/мин и 8600 об/мин. В ходе экспериментов были получены видеозаписи (5457 кадров) траектории движения флуоресцентных частиц в каждой исследуемой области. Для каждой рабочей точки и для каждой исследуемой области были получены векторные и амплитудные поля мгновенных скоростей. 4. Внесены изменения в конструкцию по результатам PIV исследований. На первом этапе были получены амплитудные и векторные поля скоростей в диффузоре и спрямляющем аппарате АВК-Н «Спутник» (Galiastov, A.A., Denisov, M.V., Groth, T. et al. A Study of the Velocity Field in the Sputnik Left Ventricular Assist Device. Biomed Eng 55, 278–283 (2021). https://doi.org/10.1007/s10527-021-10118-7). Изменение конструкции спрямляющего аппарата позволило увеличить свободный объём, тем самым уменьшив максимальную скорость движения частиц при одинаковых потоках. Также были уменьшены тороидальные вихри, образующиеся между задней кромкой импеллера и переднего края спрямляющего аппарата. Большие изменения наблюдаются в конструкции диффузора. Увеличение радиуса диффузора привело к уменьшению свободного пространства для образования вихрей и зон застоя. Поток движется вдоль лопаток и центральной части во всей области диффузора отличие от предыдущей конструкции, где возле центральной части создавалась область низкого давления, куда стремилась часть потока. Более острый конец диффузора благоприятный на более эффективный отрыв потока от самого диффузора, после диффузора не создаётся зона разряжения (область низкого давления) на высоких потоках в отличие от предыдущей конструкции. 5. Выполнено проектирование стенда седрдечно-сосудистой системы для проведения испытаний в динамических условиях. Проектирование стенда сердечно-сосудистой системы для проведения испытаний в динамических условиях является одним из важнейших этапов разработки роторных насосов крови (РНК). Стенд сердечно-сосудистой системы предназначен для проведения испытаний РНК в динамических условиях. Стенд позволяет воспроизводить широкий спектр состояний сердечно-сосудистой системы с учётом сократительной активности сердца в диапазоне от сердечной недостаточности в терминальной стадии до здорового кровообращения. Стенд сердечно-сосудистой системы состоит из гидравлической части, пневматической системы управления модельными желудочками сердца, системы сенсоров для анализа работы стенда в совокупности с РНК и системы управления РНК. Гидравлическая часть стенда сердечно-сосудистой системы включает модельный желудочек сердца, закрытый и открытый резервуар для воспроизведения сконцентрированных параметров основных сосудов большого круга кровообращения, а также регулируемый винтовой зажим для воспроизведения сосудистого сопротивления. Все составляющие гидравлической части последовательно соединены с помощью гибких лабораторных трубок из поливинилхлорида с внутренним диаметров 12,7 мм. Представленная система сенсоров позволяет получать данные характерных элементов гидравлической части стенда, проводить анализ воспроизведённого на стенде состояния сердечно-сосудистой системы и при помощи петли обратной связи программно управлять этим состоянием путём изменения характеристик сократительной деятельности модельного желудочка сердца. Предложенная система управления РНК позволяет осуществлять управление с помощью алгоритма управления любой сложности, а также получать данные для построения расходно-энергетических характеристик и характеристик коэффициента полезного действия РНК. 6. Подведение итогов работы. В ходе проведения второго этапа работ в рамках проекта были выполнены все запланированные работы. В рамках второго этапа проекта было опубликовано 5 работ в изданиях, индексируемых в базах данный Scopus и Web of Science, в том числе одна статья в Q1 и одна статья в Q2.

Аннотация результатов, полученных в 2022 году
1. Изготовление стенда сердечно-сосудистой системы для проведения испытаний в динамических условиях Изготовлен стенд сердечно-сосудистой системы для проведения испытаний в динамических условиях, обеспечивающий воспроизведение состояний физиологической и/или патологической сердечно-сосудистой системы. Изготовленная система управления модельным желудочком сердца (МЖС), являющегося основным элементом гидравлической части стенда, обеспечивает требуемый уровень точности управления движениями мембраны МЖС за счёт подобранных характеристик работы совмещённой конфигурации линейного привода и бесщёточного серводвигателя. Конфигурация позволяет задавать ударный объём МЖС с повторяемостью ±0,04 мл при диаметре толкателя поршня 60 мм, что при частоте движений мембраны 110 уд/мин соответствует погрешности задания сердечного выброса ±4,4 мл/мин. Значение расхода даже для ЧСС 200 уд/мин, наблюдаемой при физической нагрузке у здорового человека, позволяет создавать ударный объём МЖС более 449 мл, что более чем в 3,5 раза превышает границу физиологических возможностей сердца. При этом максимально возможный ударный объём МЖС, который позволяет задавать изготовленная гидравлическая камера управления МЖС, составляет 189 мл, что превышает границу физиологических возможностей сердца более чем в 1,5 раза. Каждый элемент стенда имеет необходимый запас мощности для воспроизведения всего диапазона требуемых состояний для испытаний РНК в динамических условиях. В стенде обеспечивается полный диапазон измерения с использованием системы сенсоров -750–750 мм рт. ст. Изготовленная система управления РНК в составе стенда сердечно-сосудистой системы позволяет применять алгоритмы управления РНК любой сложности, в том числе алгоритмы, направленные на повышение биосовместимости. 2. Проведение испытаний роторного насоса крови «Спутник» в динамических условиях Основными задачами РНК «Спутник» в процессе механической поддержки кровообращения являются разгрузка перегруженного желудочка сердца и создание уровня сердечного выброса, обеспечивающего нормальную жизнедеятельность пациента, как минимум, в состоянии покоя. Получено, что при скорости вращения ротора РНК «Спутник» 5000 об/мин происходит существенная разгрузка МЖС, что следует из значительного уменьшения систолического давления в МЖС и среднего расхода жидкости в аортальном клапане МЖС. При последующем увеличении скорости вращения ротора РНК «Спутник» происходит дальнейшая разгрузка МЖС с сопутствующим закрытием аортального клапана. Частичное закрытие аортального клапана наблюдается при 6000 об/мин, когда средний расход в клапане становится отрицательным, что говорит о недостаточности аортального клапана. Установлено, что даже при тяжёлой степени недостаточности аортального клапана РНК «Спутник» при скорости вращения ротора в диапазоне 5000–9000 об/мин создается уровень сердечного выброса, совместимый с нормальной жизнедеятельностью пациента в состоянии покоя и при минимальной физической активности, а также полностью разгружает патологически перегруженный желудочек сердца. Таким образом, определена тенденция к увеличению эффективности разгрузки МЖС с увеличением скорости вращения ротора РНК «Спутник». 3. Проектирование и изготовление стенда для проведения in vitro испытаний на крови Для исследования совместимости с кровью покрытий для РНК «Спутник» спроектирован и изготовлен стенд на базе микрофлюидного чипа с исследуемым покрытием. Стенд позволял проводить необходимые многочисленные исследования по испытанию различных составов покрытий с использованием небольшого количества цельной крови, что очень важно в условиях недостатка донорской крови, особенно в настоящее время. С использованием данной системы проведены in vitro испытания покрытия с кровью, а именно, исследования основного показателя совместимости с кровью - уровня гемолиза с помощью спектрофотомтерического метода. В качестве покрытий использовались нанокомпозитные материалы на основе каркасной структуры из углеродных нанотрубок (УНТ) в биополимерных матрицах коллагена и хитозана, полученные на предыдущих этапах работы. Установлено, что уровень гемолиза составил: коллаген+УНТ – 0,15±0,06 %; коллаген+УНТ+сшивающий агент – 0,47±0,08 %; хитозан+УНТ – 0,26±0,04 %; хитозан+УНТ+сшивающий агент – 1,32±0,12 %. Таким образом, основываясь на требованиях по обеспечению уровня гемолиза для материалов имплантируемых устройств с учетом погрешности [ASTM F756-08 (Стандарт для оценки гемолитических свойств материалов); Front Bio eng Biotechnol 2018;6] разработанные покрытия можно классифицировать как негемолитические, поскольку уровень гемолиза не превышает 2 %. 4. Нанесение нового биосовместимого покрытия на роторный насос крови «Спутник» Предложена новая методика нанесения покрытия на изогнутые поверхности внутренних элементов РНК «Спутник», включающая плазменную обработку титановой поверхности элементов для увеличения адгезии покрытия. Изготовление гомогенных сред из раствора 1 % раствора коллагена в 6 % растворе уксусной кислоты и 0,01 % водной дисперсии к-УНТ с последующим их смешением. После чего дисперсная среда наносилась на элемент с помощью разработанной установки спрей распыления тонких слоёв толщиной не более 40±2 нм. Методика обеспечивала за 100 проходов модуля для спрей распыления дисперсной среды толщину покрытия 4,0±0,2 мкм, равномерно распределенную по изогнутой поверхности внутренних элементов РНК «Спутник». После нанесения покрытие подвергалось воздействию лазерного излучения для формирования каркаса из углеродных нанотрубок, по технологии, описанной на предыдущих этапах работы, и подвергалось последующему воздействию сшивающего агента (раствор глутарового альдегида в фосфатно-солевом буфере с концентрацией 0,05 масс. %). 5. Исследование роторного насоса крови «Спутник» с новым биосовместимым покрытием in vitro Оценка устойчивости нового биосовместимого покрытия к механическим нагрузкам внутри проточной части РНК «Спутник» проведена в условиях статической нагрузки. Для количественной оценки изменения толщины покрытия во времени рассчитывался параметр, характеризующий перепад высоты между покрытой и непокрытой областями на примере спрямляющего аппарата РНК «Спутник. Получены зависимости профиля перепада высот по площади спрямляющего аппарата РНК, а также зависимости изменения толщины покрытия от времени воздействия потока. Установлено, что в первые 2 часа контакта покрытия с потоком наблюдалась высокая степень его деградации, которая обусловлена вымыванием с поверхности покрытия всех непрореагировавших связей. За два часа контакта с потоком толщина уменьшилась на 1,15±0,8 мкм. После двух часов проведения эксперимента зафиксировано значительное снижение уменьшения толщины покрытия и за последующий час толщина уменьшалась на 0,09±0,02 мкм. Получено, что толщина покрытия коллаген+УНТ+сшивающий агент уменьшилась на 30 % за первые 2,5 часа, далее уменьшение толщины происходило в пределах 1 % от всей толщины покрытия. Таким образом, новое биосовместимое покрытие продемонстрировало устойчивость к потоку in vitro в стенде, имитирующем параметры потока крови в организме человека.