Партнер Великобританії
Джіє Чен, викладач Рідерської школи будівництва та геодезії (SCES)
Партнер в Одеській політехніці
Костянтин Дядюра, професор кафедри біомедичної інженерії Інституту медичної інженерії Інституту медичної інженерії
Спільні дослідники
Лорі Клаф, старший викладач, SCES
Цілі проекту
Армовані волокном полімерні композитні медичні пристрої були добре розроблені в останнє десятиліття, наприклад, травматичні пластини для лікування переломів кісток, завдяки їхнім відмінним механічним властивостям: висока жорсткість і міцність, легка вага, температурна стійкість, хімічна стійкість, радіопрозорість, зменшений артефакт на КТ і МРТ, а також біосумісність з відсутністю алергії та запальних реакцій і без холодного зварювання. Прогнозується, що розмір світового ринку медичних композитів зросте з 922 мільйонів доларів США у 2020 році до 1478 мільйонів доларів США до 2025 року, при середньорічному темпі зростання 9,9%. Композитні травматичні пластини з вуглецевого волокна як внутрішній фіксатор і стійкі ортопедичні вироби використовувалися для лікування переломів кісток. У цьому проекті буде розроблено технологію 3D-друку біоімітованих композитів, яка буде у 50 разів швидшою та заощадить понад 90% витрат порівняно з традиційною технологією виробництва композитів. Цей проект також буде досліджувати інтелектуальну інформаційну систему підтримки прийняття рішень для проектування замінників кісткової тканини з контрольованим складом, структурою, пористістю та механічною міцністю для подальшого вибору адитивної технології для їх виробництва з апатито-полімерних композитів. Результати цього проекту також матимуть потенційне застосування в цивільному, механічному, аерокосмічному, суднобудівному та автомобільному секторах. Цей проект принесе величезну фінансову економію та прискорить економічний розвиток України.
Задачі проекту
1. 3D-друк біоімітованих композитних травматичних пластин для механічної стимуляції загоєння зламаних кісток.
2. 3D-друк біоімітованих композитних людських кісткових імплантатів з необхідною біомеханічною сумісністю.
3. Дослідити технологію 3D-друку для виробництва апатит-біополімерних композитів з необхідними механічними параметрами для заміни кістки.
4. Програмна реалізація розробленої інтелектуальної системи підтримки прийняття рішень щодо проектування кісткових замінників для їх виготовлення з апатито-полімерних композитів.
Створення біосумісної травматичної конструкції, що складається з травматичної пластини, зламаної кістки та гвинтів, є складним завданням. Існує критична потреба зрозуміти біомеханічні характеристики композитних травмопластин. Зокрема, підходи до проектування, стійкість до пошкоджень, філософія лікування, біосумісність конструкцій травми, проникнення рідини та інфекції є далеко не вивченими. Гіпотеза біомеханічної сумісності конструкції травми полягає в тому, що перелом кістки може здійснювати загоєння, необхідні компресійні деформації (1-10%) для механічної стимуляції загоєння зламаної кістки.
Попередня робота показала, що деформація між 6-10% може прискорити загоєння перелому кістки приблизно на 50% швидше порівняно з випадком без деформації або з дуже невеликою деформацією [1, 2]. Цей запропонований проект спрямований на вирішення основних проблем шляхом розробки: a) 3D-друку біологічно імітованих композитних травматичних пластин (BCTP) економічно ефективним способом, b) прогнозованої моделі пошкодження/перелому для розробки нового BCTP з біоімітацією кількох шарів для досягти необхідної біомеханічної сумісності в травматологічній конструкції; в) технологія згладжування поверхні, щоб впоратися з проблемами грубої поверхні традиційних композитних травмопластин. Технологія 3D-друку BCTP значно знизить витрати на виробництво на 90% і вироблятиме продукцію в 50 разів швидше порівняно з традиційними технологіями виробництва композитів. Основними матеріалами для 3D-друку є безперервні вуглецеві волокна та нейлонова матриця, змішана з подрібненими вуглецевими волокнами [3]. Конструкція травматичної пластини за товщиною буде розроблена з точки зору 3D-друку біоімітованих градуйованих шаруватих композитів, розроблених доктором Ченом, щоб підвищити стійкість до пошкоджень у напрямку товщини на 70% порівняно з традиційними сендвіч-композитами [4, 5]. Таким чином, запропонований 3D-друк BCTP буде новою багатошаровою композитною травматичною пластиною, армованою безперервним волокном і біоімітацією. На відміну від традиційно виготовлених ламінованих композитів, цей пропонований 3D-друк BCTP також забезпечить біомеханічну сумісність у травматологічній конструкції через кілька біоімітованих шарів із порівнянною жорсткістю з кісткою, що механічно прискорює швидке самовиліковування зламаної кістки шляхом прийняття необхідного значення цілющих штамів. Це нова технологія, яка використовує запропоновану біоімітовану біомеханічну модель (BBM) для розробки та виготовлення нової композитної травматичної пластини. Ця запропонована технологія також буде використовуватися для виробництва біоімітованих композитних суглобів кісткових імплантатів людини з необхідною біомеханічною сумісністю. Водночас запропонований проект досліджуватиме технологію 3D-друку для виробництва апатитно-біополімерних композитів з необхідними механічними параметрами для заміни кісток, а також програмне забезпечення AI для інтелектуальної системи прийняття рішень для підтримки дизайну з контрольованим складом, структурою, пористістю, механічною міцністю, і подальший вибір технології адитивного виробництва.
Роль кожного партнера
UK PI Jiye Chen вживатиме заходів разом з UK CI для виконання завдань 1 і 2. Україна PI візьме участь у цьому дослідженні шляхом пропозицій, наприклад, друкування зразків та оцінки.
ВП України Дядура Костянтин вживатиме заходів за сприяння ГУ UK для завершення мета 3, забезпечити сировину для дослідження 3D-друку на існуючих принтерах або розробити нові конкретний принтер у Великобританії. UK PI допоможе в цьому розслідуванні та оцінці.
ГП України Костянтин Дядура спільно з КІ України Андрієм Смородіним проведуть заходи с допомога від UK PI для виконання цілі 4: удосконалення методів прийняття обґрунтованих рішень у розробці та застосуванні адитивних технологій виробництва кісткових замінників з функт властивості, що враховують закономірності утворення нової кісткової тканини.
Тривалість проєкту
Дата початку проекту: 02.01.23
Дата завершення проекту: 31.08.23
Очікувані результати
1. Надруковані на 3D та оцінені зразки біоімітованих композитних пластин травм
2. 3D-друковані та оцінені зразки людських кісткових імплантатів
3. Вибрані існуючі 3D-принтери та технології друку та надруковані зразки апатит-біополімерних композитів як замінників кісток.
4. Інформаційно-аналітичні матеріали, рекомендації, пропозиції тощо будуть розроблені та передані для використання в підтримці прийняття рішень для військово-цивільних застосувань в ортопедії та травматології.
