Аннотация результатов, полученных в 2019 году
В результате выполнения предыдущих этапов проекта впервые было доказано, что геометрическая конфигурация аорты соответствует требованиям, предъявляемым к каналам, в которых происходит самоорганизация смерчеобразных струй, в соответствии с описанными ранее точными решениями. Задача этого этапа заключалась в том, чтобы определить, в каких пределах изменение геометрической конфигурации проточного канала не приводят к существенному росту гидравлических потерь, и каким образом «качество» закрученной струи изменяется в зависимости от кривизны образующей поверхности, при обтекании которой возникает самоорганизация струи. Кривизна этой поверхности обеспечивает концентрацию центростремительных сил в точке, в которой происходит зарождение закрученного потока. Получены результаты аналитической реконструкции кривизны обтекаемой поверхности и реконструкции полости соответствующей реальным направлениям линий тока закрученного течения в камерах сердца и аорте. На предыдущих этапах выполнения проекта была доказана возможность изготовления эластичного синтетического сосудистого протеза, который отличался более благоприятными условиями прорастания и интеграции в ткани реципиента. Однако при проведении имплантационных исследований полученного протеза выяснилось, что нетканый матрикс протеза проявляет признаки усталостной текучести при длительных циклических нагрузках давлением. Описан новый протез, обеспечивающий геометрический континуум вдоль протезируемого сосуда. Представлены результаты его имплантации в хроническом эксперименте. Использование новых материалов требует проведения исследований их тромбогенности по стандартным методикам. Получены результаты оценки адгезии тромбоцитов на поверхности линейки полимерных материалов, используемых в технологии электроспиннинга. Проведены экспериментальные исследования гидродинамических характеристик закрученных струй, получаемых в специально изготовленном гидродинамическом стенде, позволяющем изменять геометрическую конфигурацию проточного канала и измерять при этом параметры, характеризующие сопротивление, наличие возмущений и визуализировать направления линий тока результирующего течения. Были исследованы каналы, имеющие коническую и гиперболическую формы, ограниченные сверху образующей поверхностью установленной с определенным зазором. В качестве рабочей жидкости использовали воду. Цель измерений состояла в том, чтобы оценить, насколько повышается эффективность потока при течении в каналах, соответствующих геометрической конфигурации квазипотенциальных смерчеобразных потоков, описываемых точными решениями нестационарных уравнений гидродинамики для этого класса течений вязкой жидкости. Показано, что течение в каналах гиперболической формы сопровождается падением сопротивления на 4,5-9%. При этом, если над каналом с определенным зазором установлена ограничивающая криволинейная поверхность, имеющая специфическую геометрическую конфигурацию, течение стабилизируется. Закрученная структура в этом случае может быть визуализирована методом впрыска контрастного красителя. Так как в системе кровообращения движение крови на всех этапах от легочных вен до конца аорты происходит по типу затопленной струи, особый интерес вызывают исследования поведения закрученных струй, взаимодействующих с окружающей подобной вязкой средой. Точные решения указывают на то, что такие взаимодействия очень слабы, так как нет ни одной линии тока, направленной вовне из закрученной струи рассматриваемого типа. Для проведения этих исследований был разработан модифицированный гидродинамических стенд, который позволяет оценить параметры закрученных струй в затопленном режиме. Использование точных решений позволяет использовать измерения динамических геометрических характеристик анатомической конфигурации камер сердца и магистральных артерий для количественного анализа состояния потока крови. Для разработки подходов к такому анализу необходимо знать, какую форму должна проточная полость, чтобы при определённой скорости в ней было бы возможно формирование квазипотенциальных закрученных струй. Для этого с помощью точных решений и известных направлений линий тока смерчеобразной струи была произведена аналитическая реконструкция такой криволинейной поверхности. Показано, что эта криволинейная поверхность отлична от сферической. Проведено качественное сравнение реконструированной поверхности с кривизной обтекаемой кровью внутренней поверхности левого предсердия и доказано, что в полости левого предсердия в течение всего сердечного цикла выполняются условия самоорганизации течений этого класса. Это исследование важно для выбора правильной тактики хирургических вмешательств на сердце, адекватного подбора протезов клапанов и крупных артериальных сосудов. Задачей предыдущих этапов выполнения проекта являлось использование технологии электроспиннинга для изготовления синтетического сосудистого протеза, обладающего биомеханической совместимостью с биологическим артериальным сосудом. Полученные образцы обладали необходимой радиальной эластичностью, однако, не выдерживали длительную нагрузку пульсирующим давлением в аорте и необратимо изменяли геометрический размер в результате усталостной пластической деформации. В отчетном году было найдено решение этой проблемы, и были изготовлены первые образцы синтетических сосудистых протезов, устойчивые к циклическим нагрузкам. Результат был достигнут после радиационной обработки исходного синтетического матрикса дозой 0,3МГр. Имплантация образцов в инфраренальный отдел брюшной аорты свиньи сроком на 1 месяц показала очень высокую степень интеграции протеза, в тонкой, эндотелизированной изнутри соединительнотканной капсуле, формируемой вокруг протеза отчетливо видны признаки дифференциации клеток. Хорошее прорастание протеза и быстрое формирование капсулы без выраженного воспаления, а также сохранение пульсаций на протезе через месяц после имплантации входит в противоречие с проведенными исследованиями тромборезистентности материала протеза. Эти исследования были проведены для сравнения нескольких материалов, которые могут быть использованы для изготовления нетканых синтетических матриксов с использованием технологии электроспиннинга. Критерием оценки являлось количество тромбоцитов, адгезированных на поверхности материала при его контакте с протекающей нативной кровью. Показано, что показатель адгезии тромбоцитов не связан с функционированием протеза в артериальной позиции. Материал СКФ-26, использованный в конструкции протеза, проявил худшие свойства тромборезистентности по сравнению с другими материалами, однако протез, изготовленный из этого материала, отличается высокой эластичностью и проявляет хорошие имплантационные характеристики. И наоборот, материал Поликапролактон, на поверхности которого оседает сравнительно мало тромбоцитов, оказался непригоден для изготовления сосудистого протеза из-за ригидности и выраженного продуктивного воспаления в капсуле протеза. Таким образом, Основным фактором интеграции синтетического сосудистого протеза при его имплантации в артериальное сосудистое русло является биомеханическая совместимость, позволяющая обеспечить адекватное движение сосудистой стенки при пульсовых колебаниях давления и способность сохранения динамического геометрического континуума вдоль проточного канала сосуда. Это необходимо для обеспечения условий безотрывного течения пульсирующего потока крови вдоль аорты по типу самоорганизующейся квазипотенциальной смерчеобразной струи, описанной точными решениями нестационарных уравнений гидродинамики. Структура таких потоков обеспечивает более низкое гидродинамическое сопротивление и более слабые взаимодействия на границе потока. Степень тромбогенности материала имеет второстепенное значение по сравнению со степенью биомеханической совместимости сосудистого протеза.

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Основными задачами исследований в 2020 г. являлись: 1. Экспериментальное обоснование концепции движения крови в сердце и магистральных сосудах на основании физического моделирования закрученных течений в каналах произвольной геометрической конфигурации. Эксперименты проводили на гидродинамическом стенде, разработанном членами научного коллектива. Было исследовано 15 вариантов геометрической конфигурации канала, представляющего собой собственно канал определенного продольно-радиального профиля и отсекатель, отделяющий вход в канал от свободной поверхности жидкости в подающем резервуаре (см. рис. 1.1). Использованы каналы пяти конфигураций – конические каналы с острой и сглаженной кромкой, и гиперболические каналы, профиль которых соответствует функциям 1/R, 1/R2 и 1/R3 и три варианта обтекаемой поверхности отсекателя – плоская, сферическая лунка и эвольвентная лунка, форма которой рассчитана на основании аналитических решений, положенных в основу наших исследований. В результате экспериментов показано: a) отсутствие явления самоорганизации потенциального закрученного течения при соосном осесимметричном расположении криволинейной образующей поверхности и сходящегося канала для ньютоновской жидкости в диапазоне чисел Re от 6*102 до 3*104; b) явление ламинаризации струи (визуализация линий тока) в сходящихся каналах гиперболической формы без формирования закрученной структуры. Это явление сопровождается достоверным снижением гидродинамического сопротивления; c) при принудительной закрутке среды в подающем резервуаре структура безотрывной закрученной струи формируется только в каналах гиперболической формы. В каналах конусной формы структурная организация струи разрушается за счет пристенных отрывов; d) в каналах гиперболической формы гидродинамическое сопротивление закрученной струи (в данных условиях эксперимента) всегда выше, чем сопротиволение незакрученной струи, однако эта разница уменьшается по мере увеличения расхода жидкости; e) в каналах конической формы закрутка среды не оказывает влияния на сопротивление струи, и сопротивление достоверно выше сопротивления в гиперболических каналах; f) в условиях «свободной» струи форма образующей поверхности не влияет на величину гидродинамического сопротивления. В условиях затопленной струи безотрывная закрученная структура течения сохраняется в наибольшем диапазоне расходов при конфигурации канала, состоящей из гиперболического канала 1/R2 и эвольвентной лунки. 2. Проведены теоретические разработки по анализу условий, обеспечивающих возможность зарождения, эволюции и стабильность закрученных струй, структура которых может быть описана с помощью точных решений нестационарных уравнений гидродинамики для центростремительных закрученных потоков вязкой жидкости. Произведена аналитическая реконструкция криволинейной образующей поверхности, обтекание которой вязкой средой с достаточной скоростью приводит к возникновению закрученной смерчеобразной струи с известными свойствами струи крови в просвете митрального и аортального клапанов сердца. Сопоставление кривизны обтекаемой поверхности левого предсердия и левого желудочка в соответствующие фазы сердечного цикла с теоретически рассчитанной криволинейной поверхностью показало высокую степень подобия, что подтверждает адекватность выбранного метода. На основании анализа кривизны образующей поверхности и продольно-радиального профиля расчётных линий тока таких течений разработаны подходы к формализации вихревого пограничного слоя, в котором сопряжение струи и криволинейной поверхности проточного канала осуществляется путем замены напряжений сдвига напряжениями качения. 3. Проведены работы по усовершенствованию технологии получения нетканых сосудистых матриксов, являющихся прототипом протезов кровеносных сосудов, обладающих биомеханической совместимостью с биологическим артериальных сосудом. Оптимизированы режимы электроформования, отработаны режимы радиационной обработки матриксов с целью повышения их устойчивости к длительным циклическим нагрузкам в условиях пульсирующего артериального давления, усовершенствованы технические приемы получения однородного трубчатого образца с равномерной структурой и толщиной стенки. Проведена коррекция толщины стенки изготавливаемого трубчатого образца и толщины волокон для предотвращения разрушения матрикса после радиационной обработки. 4. Проведены работы по исследованию тромбогенности линейки материалов, которые могут быть использованы для изготовления сосудистых матриксов методом электроформования. Этот фактор всегда считали определяющим при выборе материала для изготовления сосудистых протезов. Тромбогенность оценивали по степени адгезии тромбоцитов на поверхности пленок из исследуемых материалов при их контакте с нативной кровью свиньи, протекающей с определенной скоростью через специально разработанные перфузируемые камеры с образцами. Показано, что тромбогенность материалов, используемых для изготовления сосудистых матриксов методом электроформования, по степени адгезии тромбоцитов при перфузии нативной кровью в течение 1,5 минут, увеличивается в следующей последовательности: Поли-L-лактид, Полиуретан, Фторопласт Ф-42, Фторопласт Ф-26, Поликапролактон, Фторопласт Ф-4 (контрольный материал), Синт. каучук СКФ-26+Ф-26, СКФ-26. Таким образом, смесь синтетического каучука СКФ-26 и Фторопласта Ф-26 оказались на предпоследнем месте по критерию тромбогенности. 5. Проведены комплексные технические испытания усовершенствованных синтетических матриксов, изготовленных методом электроформования. Результаты испытаний показали преимущества функциональных характеристик исследованных образцов по сравнению с предыдущим технологическим вариантом протезов, изготовленных в 2019 г. 6. Проведены биологические испытания синтетических матриксов при имплантации в инфраренальный отдел брюшной аорты свиньи. Состояние имплантированных протезов контролировали методом рентгенангиографии на 3-и сутки, через один и через 2,5 мес. после имплантации. Протезы, срок наблюдения которых был ограничен одним месяцем, исследовали гистологически. При этом показано, что соединительнотканная капсула, формируемая вокруг синтетической ткани протеза, практически не содержит признаков воспаления, тонкая, имеет слоистую структуру, наподобие стенки биологического сосуда, при этом клетки фибробластического ряда в составе капсулы ориентированы по слоям вдоль сосуда и циркулярно, что говорит о возможности дифференциации клеток. Этот эффект не наблюдался для других протезов, включенных в исследование, а также для коммерчески доступных стандартных сосудистых протезов из e-PTFE, широко применяемых в настоящее время в сосудистой хирургии. Сделан вывод о ведущей роли биомеханической совместимости сосудистого протеза в процессе интеграции имплантата в артериальном русле.