рук. Жирнов С.В., Черемных А.И., НОЛ ТИРМ, МИСИС
Мартьянов_Разработка_остеоинтегрируемой_системы_крепления_электродов (презентация)
Цель:
Разработка прототипа системы крепления электродов для приматов, отвечающей требованиям ударной прочности, герметичности, индивидуализации и остеоинтегрируемости.
Актуальность:
Изучение когнитивных функций приматов требует долгосрочной фиксации имплантированных электродных матриц. Существующие системы не обеспечивают необходимой прочности и биосовместимости, что ограничивает продолжительность экспериментов. Зачем же мучить бедных приматов? Для человека аналогичные проблемы актуальны в области инвазивных нейроинтерфейсов, где отсутствие остеоинтеграции и биосовместимости препятствует клиническому применению.
Ход работы:
- Анализ требований: Благодаря накопленному профессиональному опыту научных руководителей были определены ключевые параметры системы крепления электродов:
- Ударная прочность;
- Герметичность;
- Индивидуализация геометрии под анатомию черепа;
- Остеоинтеграция за счет биоматериалов.
- Синтез материалов:
- После определения требований в первую очередь было принято решить проблему остеоинтегрируемости и биосовместимости. Для этого был выбран гидроксиапатит(Ca₅(PO₄)₃OH) — вещество, которое содержится в костях. Гидроксиапатит был получен методом щелочного соосаждения (5Ca(NO₃)₂ + NaOH + 3Na₃PO₄ → Ca₅(PO₄)₃OH + 10NaNO₃), с помощью магнитной мешалки и лакмусовых бумажек, которыми был осуществлен контроль pH среды раствора(=11-12). Осадок был отфильтрован, высушен и прокален. Для получения наночастиц гидроксиапатит был измельчен, с помощью ступки и пестика.
- Далее был создан композит на основе PLA с добавлением наночастиц гидроксиапатита, с помощью устройства экструдера. Изготовленного композита хватило не полностью, поэтому было принято решение также использовать уже готовый.
- Конструктивное моделирование:
- Далее была разработана 3D-модель системы крепления электродов в Autodesk Fusion 360 с учетом анатомии черепа (была проведена реконструкция по данным КТ). Были учтены требования медицинских учреждений: возможность размещения двух электронных плат (12-pin и 16-pin), минимальная область доступа, расстояние между стенками плаг ≥1 мм, герметичность.
- Изготовление прототипа:
- Использовав технологию FDM 3D-печати, был создан прототип, состоящий из двухкомпонентной конструкции (нижняя и верхняя части). Была напечатана часть черепа примата, с помощью той же технологии. После была собрана конструкция из части напечатанного черепа, системы крепления электродов и электродных плаг.
Результаты и выводы:
Разработан прототип остеинтерируемой системы крепления электродов и синтезирован композиционный материал для 3D печати с содержанием биокерамики. Полученное изделие может послужить основой будущих систем интеграции нейроинтерфейсов в тело пациента.
Данный проект успешно был защищен в рамках программы “Глобальные Большие Вызовы” в ОЦ “Сириус”. Работа была удостоена также стать финалистом XIV Всероссийской молодежной премии в области науки и инноваций.
Литература:
- Новые аддитивные технологии формирования сложных костных структур для медико-биологических применений, 2019 г. В. Н. Горшенёв. https://cyberleninka.ru/article/n/novye-additivnye-tehnologii-formirovaniya-slozhnyh-kostnyh-struktur-dlya-mediko-biologicheskih-primeneniy
- Математическое моделирование в биомедицине, 2014 г. Перцов С. С. https://cyberleninka.ru/article/n/matematicheskoe-modelirovanie-v-biomeditsine
- Введение в 3D-биопринтинг: история формирования направления, принципы и этапы биопечати, 2018 г. Н. С. Сергеева. https://cyberleninka.ru/article/n/vvedenie-v-3d-bioprinting-istoriya-formirovaniya-napravleniya-printsipy-i-etapy-biopechati/viewer
- Сравнение полимеров PLA и PCL для аддитивных технологий в медицине, 2019, 10.3390/polym11010062, Rupinder Singh