Исследование особенностей воздействия электромагнитных полей СВЧ диапазона на микрофлору биомедицинских объектов и разработка компактной переносной аппаратуры, обеспечивающей сверхбыструю деконтаминацию облучаемых объектов в широких областях практического и научного применения.

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 22-19-00357

НазваниеИсследование особенностей воздействия электромагнитных полей СВЧ диапазона на микрофлору биомедицинских объектов и разработка компактной переносной аппаратуры, обеспечивающей сверхбыструю деконтаминацию облучаемых объектов в широких областях практического и научного применения.

Руководитель Байбурин Вил Бариевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А." , Саратовская обл

Конкурс №68 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-609 - Автоматизированные комплексы для биологии и медицины

Ключевые слова Деконтаминация, СВЧ-излучение, бактериологический анализ, компактность, экономичность, магнетроны, генерация, скрещенные поля.

Код ГРНТИ76.13.33

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
В процессе выполнения проекта должен быть разработана и изготовлен экспериментальный образец стерилизатора, соответствующий на последнем этапе требованиям массового серийного выпуска с учётом запросов медицинских учреждений, НИИ органов здравоохранения. В составе конструкции должны быть предусмотрены: рабочая камера с электродинамическими характеристиками, обеспечивающими оптимальное величины и частоты электромагнитных полей, подводящая волноводно-фильтровая система, выбран генератор электромагнитного излучения магнетронного типа. Далее должен быть разработан набор контейнеров для содержания обрабатываемых медицинских инструментов. Разработана методики как обработки медицинских объектов в электромагнитных полях так микробиологического анализа объектов после их обработки. При этом методика обработки объектов электромагнитным излучением должна быть максимально простой и по времени минимальной (несколько минут), что в особенности важно, например, в полевых условиях, в горячих точках. Устройство должно обеспечивать не менее 20 режимов электромагнитного облучения, что может найти применение для проведения фундаментальных исследований в области биомедицине. Научная новизна проекта связана также с выдвижением новой гипотезы, связанной с преобладающей ролью напряженности переменного электромагнитного поля по сравнению с тепловыми факторами и кавитационными эффектами. Иными словами, речь идёт об обосновании гипотезы уничтожения микрофлоры в основном за счёт влияния электрического поля, разрушающего структуру микроклетки.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Ерёмин В.П., Ершов А.С., Байбурин В.Б., Балакин М.И., Шелудяков Д.А., Мещанов В.П. Анализ возможностей создания магнетрона повышенной мощности для СВЧ-стерилизатора на основе математической модели и экспериментального образца ВОПРОСЫ ЭЛЕКТРОТЕХНОЛОГИИ (№829 в списке рекомендованных научных изданий ВАК), Вопросы электротехнологии. – 2022. – № 3(36). – С. 39-43. (год публикации - 2022)

2. Байбурин В.Б., Комаров В.В., Мещанов В.П., Балакин М.И., Киркица В.А. Аналитические модели резонанса Фано для частотно-селективных поверхностей СВЧ-диапазона Радиотехника, Радиотехника, т. 86, No 10, 2022 г., с. 155−164 (год публикации - 2022)
10.18127/j00338486-202210-18

3. Байбурин В.Б., Черепанов П.Д., Мещанов В.П. , Комаров В.В., Балакин М.И. Математическая модель перспективного генератора магнетронного типа в терагерцевом диапазоне частот Успехи современной радиоэлектроники, Успехи современной радиоэлектроники. 2022. T. 76. No 10. С. 39–45. (год публикации - 2022)
10.18127/j20700784-202210-04

4. Антонов И.Н., Комаров В.В., Дураков А.В. Experimental Study of Nano-Structural Coatings Formed by Microwave Plasma IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, IEEE TRANSACTIONS ON PLASMA SCIENCE, VOL. 50, NO. 9 (год публикации - 2022)
10.1109/TPS.2022.3198840

5. ГУЛЯЕВ Ю.В., МЕЩАНОВ В.П., ЕЛКИН В.А., КАЦ Б.М., КОМАРОВ В.В., КОПЛЕВАЦКИЙ Н.А., ЛОПАТИН А.А., РЫТИК А.П., САЯПИН К.А., БАЙБУРИН В.Б., ЧЕРНЫШЕВ С.Л. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА НИЗКОИНТЕНСИВНОГО МИКРОВОЛНОВОГО ОБЛУЧЕНИЯ ВОДОСОДЕРЖАЩИХ БИОЛОГИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ Успехи современной радиоэлектроники, Успехи современной радиоэлектроники. – 2022. – Т. 76. – № 6. – С. 5-12. (год публикации - 2022)
10.18127/j20700784-202206-01

6. Байбурин В.Б., Комаров В.В., Мещанов В.П. МОДЕЛИРОВАНИЕ ЭЛЕКТРОДИНАМИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ МИКРОВОЛНОВОГО СТЕРИЛИЗАТОРА Физика волновых процессов и радиотехнические системы (№2428 в списке рекомендованных научных изданий ВАК) (год публикации - 2022)

7. Балакин М.И., Комаров В.В., Киркица В.А. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РЕЗОНАНСА ФАНО В ПОЛОСОВОМ ФИЛЬТРЕ Доклады XVII Всероссийской конференции молодых ученых (Саратов, 13 – 15 сентября 2022 г.), «НАНОЭЛЕКТРОНИКА, НАНОФОТОНИКА И НЕЛИНЕЙНАЯ ФИЗИКА» Доклады XVII Всероссийской конференции молодых ученых, с. 86-88 (год публикации - 2022)

8. Балакин М.И, Комаров В.В., Киркица В.А. АНАЛИТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ РЕЗОНАНСА ФАНО В ПОЛОСОВОМ ФИЛЬТРЕ XXVIII Международная научно-техническая конференция «Радиолокация, навигация, связь». Сборник трудов XXVIII Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Б.Я. Осипова, Сборник трудов XXVIII Международной научно-технической конференции, посвященной памяти Б.Я. Осипова, с. 74-76 (год публикации - 2022)

9. Байбурин В.Б., Балакин М.И., Комаров В.В., Лунева И.О., Никифоров А.А., Мещанов В.П. БЫСТРЫЙ МЕТОД ПОЛНОЙ ДЕКОНТАМИНАЦИИ В СВЧ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОМ ПОЛЕ Вопросы электротехнологии (№829 в списке рекомендованных научных изданий ВАК), Вопросы электротехнологии. – 2022. – № 2(35). – С. 27-30. (год публикации - 2022)

10. Байбурин В.Б., Балакин М.И., Лунёва И.О., Никифоров А.А., Шелудяков Д.А., Романчук С.П. Experimental study of the sterilization capabilities of various methods of microwave exposure to medical instruments 2022 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE), Т.1, с.170-172 (год публикации - 2022)
10.1109/APEDE53724.2022.9912816

Публикации

1. А.А.Никифоров, В.Б. Байбурин, Я.А. Пахомов, В.В. Мещанов, В.В. Комаров, В.М. Дорошенко Портативная автоматическая система управления процессом охлаждения магнетронного генератора Вопросы электротехнологии, №3(40), С. 48-52 (год публикации - 2023)

2. Байбурин В.Б., Комаров В.В., Мещанов В.П., Никифоров А.А. Влияние рабочей среды микроволнового стерилизатора на поведение электромагнитного поля вблизи поверхности хирургических инструментов ADVANCES IN SCIENCE AND TECHNOLOGY, Сборник статей LII международной научно-практической конференции. Москва, 2023, 88-89 (год публикации - 2023)

3. Байбурин В.Б., Комаров В.В., Мещанов В.П. Аналитическая оценка напряженности электромагнитного поля вблизи металлической поверхности, покрытой слоем диэлектрика Радиолокация, навигация, связь : сборник трудов XXIX Международной научно-технической конференции, посвященной 70-летию кафедры радиофизики ВГУ, Том 4, 11-14 (год публикации - 2023)

4. В.Б. Байбурин, В.А. Киркица, В.М. Дорошенко, А.А. Никифоров, В.В. Комаров, М.И. Балакин Факторы, влияющие на процесс СВЧ-стерилизации медицинских инструментов «Наноэлектроника, нанофотоника и нелинейная физика»: тез. докл. XVIII Всерос. конф. молодых ученых., 57-58 (год публикации - 2023)

5. Байбурин В.Б., Никифоров А.А., Пахомов Я.А., Дорошенко В.М., Мещанов В. В., Комаров В. В. Цифровой двойник стерилизатора с цифровой системой управления параметрами СВЧ излучения магнетронного генератора МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ, КОМПЬЮТЕРНЫЙ И НАТУРНЫЙ ЭКСПЕРИМЕНТ В ЕСТЕСТВЕННЫХ НАУКАХ, №3. - С.35-43 (год публикации - 2023)
10.24412/2541-9269-2023-3-35-43

6. Байбурин В.Б., Мещанов В.П., Лунёва И.О., Комаров В.В., Никифоров А.А., Фомин А.А., Дорошенко В.М., Балакин М.И., Киркица В.А. Экспериментальные результаты СВЧ стерилизации металлических инструментов медицинского назначения Биомедицинская радиоэлектроника, Т. 26, № 6, С. 76−82 (год публикации - 2023)
10.18127/j15604136-202306-10

7. Байбурин В.Б., Тома А.И., Мещанов В.П., Балакин М.И., Чернышев С.Л., Дорошенко В.М., Комаров В.В., Никифоров А.И., Лунева И.О., Киркица В.А. Результаты и перспективы применения сверхвысокочастотного излучения в задачах стерилизации биомедицинских объектов Биомедицинская радиоэлектроника, Т. 26, № 6, С. 25-32 (год публикации - 2023)
10.18127/j15604136-202306-04

8. Байбурин В.Б., Комаров В.В., Мещанов В.П. Математическое моделирование электромагнитных полей в рабочей среде СВЧ-стерилизатора хирургических инструментов Биомедицинская радиоэлектроника, Т. 26, № 6, С. 47−52 (год публикации - 2023)
10.18127/j15604136-202306-06

9. Еремин В.П, Байбурин В.Б., Мещанов В.П., Комаров В.В., Пахомов Я.А., Ершов А.С., Дорошенко В.М., Никифоров А.А., Балакин М.И. Электродинамические и рабочие характеристики СВЧ- стерилизатора с источником излучения в виде двух спаренных магнетронов Биомедицинская радиоэлектроника, Т. 26, № 6, С. 60−66 (год публикации - 2023)
10.18127/j15604136-202306-08

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Разработан СВЧ-стерилизатор, с описанной технологией стерилизации, соответствующий требованиям серийного производства, о чем свидетельствует полученные разрешающие документы: декларация о соответствии стандартам Евразийского экономического союза, добровольный сертификат на серийное производство, технические условия на СВЧ-стерилизатор, протокол испытаний. Проведены итоговые исследования по СВЧ-стерилизационной обработке типовых инструментов в расширенных областях применения. Исследованиям подвергались типовые наборы инструментов, применяемые в медицинских стационарах (различные комплектации хирургических инструментов), отдельно были проведены исследования по обработке стоматологических инструментов инструментов применяемых в косметологической сфере. Отдельное внимание было уделено материалам, из которых были выполнены инструменты, были проведены серии испытаний: на полностью металлических инструментах, металлических инструментах с пластиковыми элементами и на полностью пластиковых инструментах. Были получены новые результаты пластиковых (полистирол) медицинских инструментов производства ООО «Медтехника» (г. Саратов), инфицированных тем же методом, что и металлические инструменты. Время обработки в стерилизаторе составило 10 минут при мощности облучения 900 Вт с сохранением механических и геометрических параметров инструментов. Данный факт показывает не термическую природу стерилизации, так как, известно, что полистироловые материалы разрушаются при температуре 90°С. Уточнена технология СВЧ-обработки, основанная на анализе расчета электромагнитных полей в контейнере с инструментами, а в первую очередь амплитуда тангенцальной составляющей электрического поля. Показано, что эффект полной стерилизации достигается при мощности СВЧ-излучения 1000 Вт и времени обработки 10 минут для спорообразующих бактерий, а для неспорообразующих бактерий при мощности 100 Вт и времени обработки 8-10 минут. Была проведена серия экспериментов по СВЧ-стерилизации косметических и стоматологических инструментов. Разработана конструкторско-технологическая документация. При ее разработке были учтены требования по конструкции к самому прибору и выбраны оптимальные геометрические параметры рабочей резонаторной камеры. Для принятых габаритов СВЧ-стерилизатора, в ходе итоговых испытаний, были определены максимально эффективные параметры СВЧ обработки, что является основным фактором для приборов данной специализации. Найдено распределение электрического поля в СВЧ-резонаторе и дана оценка уровня согласования нагрузки с источником СВЧ-энергии для рабочей камеры 26 литров. Подготовлено технические задание на СВЧ-стерилизатор, пояснительная записка, необходимый набор чертежей, включая чертежи: общего вида, габаритный, сборочный, электромонтажный и упаковочный. Также подготовлена ведомость покупных материалов, программа и методика испытаний. В результате чего были получены разрешающие документы. Получены документы на СВЧ-стерилизатор 1. Декларация о соответствии стандартам Евразийского экономического союза. Регистрационный номер ЕАЭС N RU, дата регистрации 18.10.2024 года. 2. Добровольный сертификат на серийное производство RA.RU.11НЕ42 с 18.10.2024 по 17.10.2027. ТУ 32.50.12-001-83606007-2024 СВЧ-стерилизатор 06; 3. Разработаны технические условия на СВЧ-стерилизатор 06 ОКПД2 32.50.12.190 ООО «Цизтех». 4. Получен протокол испытаний

Публикации

1. Байбурин В.Б., Комаров В.В., Артюхов И.И., Мещанов В.П., Дорошенко В.М. Влияние загрузки рабочей камеры микроволнового стерилизатора на напряженность электрического поля в области взаимодействия Вопросы электротехнологии, № 3 (44). С. 17-21 (год публикации - 2024)

2. Байбурин В.Б., Мещанов В.П., Артюхов И.И., Дорошенко В. М., Тихомирова Е. И., Телешева Е. М., Киркица В.А. Расширение областей применения быстродействующего СВЧ-стерилизатора и обеспечение его работы в походных и полевых условиях Вопросы электротехнологии, № 3 (44). С. 22-28 (год публикации - 2024)

3. Дорошенко В.М., Киркица В.А. Экстренная деконтаминация патогенной микрофлоры при помощи электромагнитного облучения Радиотехника, т. 88, № 11, 2024 г., с. 222−225 (год публикации - 2024)
10.18127/j00338486-202411-25

4. Байбурин В.Б., Мещанов В.П., Комаров В.В., Лунёва И.О., Дорошенко В.М., Саяпин К.А., В.А. Киркица Проблемы быстрой СВЧ –стерилизации металлических инструментов медицинского назначения Биомедицинская радиоэлектроника, т. № 1, с.76-82 (год публикации - 2025)

5. Коломейцев В.А., Ковряков П.В., Мещанов В.П., Саяпин К.А. Определение длины волны, на которой достигается максимум энергии электрического поля основной медленной волны Н10 прямоугольного волновода с диэлектрической пластиной, расположенной в Е-плоскости волновода в доминантном диапазоне длин волн Радиотехника, т. 88, № 8, с.162-173 (год публикации - 2024)
10.18127/j00338486-202408-18

6. Байбурин В.Б., Никифоров А.А., Мещанов В.П., Дорошенко В.М. Особенности серийного производства быстродействующих СВЧ-стерилизаторов медицинских объектов Вопросы электротехнологии, № 3 (44). С. 29-35 (год публикации - 2024)

7. В.Б. Байбурин, И.И. Артюхов, В.П. Мещанов, Ь.Д. Николаев, В.В. Комаров, В.М. Дорошенко Ensuring the Operation of a Mobile High-Speed Microwave Sterilizer in Hike and Field Conditions MATERIALS OF THE INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE 2024 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE’ 2024) Saratov, 2024, 2024 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE), Saratov, Russian Federation, 2024, pp. 203-206 (год публикации - 2024)
10.1109/APEDE59883.2024.10715878

8. В.Б. Байбурин, В.П. Мещанов, В.В. Комаров, В.М. Дорошенко, Я.А. Пахомов, В.А. Киркица Design Features of a Portable Microwave Sterilizer for Wide Application MATERIALS OF THE INTERNATIONAL SCIENTIFIC AND TECHNICAL CONFERENCE 2024 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE’ 2024) , 2024 International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering, APEDE 2024 - Materials of the International Scientific and Technical Conference, pp. 167-169 (год публикации - 2024)
979-8-3503-9331-6/24/$31.00

9. Байбурин В.Б., Мещанов В.П., Комаров В.В., Дорошенко В.М., Никифоров А.А. Factors Affecting the Process of Microwave Sterilization of Medical Instruments Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), XVI International Scientific and Technical Conference Actual Problems of Electronic Instrument Engineering (APEIE), Novosibirsk, Russian Federation, 2023, pp. 230-233 (год публикации - 2023)
10.1109/APEIE59731.2023.10347580

Возможность практического использования результатов
Результаты данного проекта имеют явную практическую значимость, так как в ходе выполнения работ был разработан готовый к серийному выпуску прибор СВЧ-стерилизатор, на который были получены разрешительные документы, прикрепленные к отчету. Данное устройство может быть применено в медицинской сфере, как замена традиционных методов стерилизационной обработки инструментов. В отличии от крупногабаритных стационарных стерилизационных установок, используемых на данный момент, представленный прибор - это портативный сверхбыстрый стерилизатор, который обеспечивает полную деконтаминацию обрабатываемых инструментов за время 10-12 минут. Помимо самого прибора разработана и технология стерилизации, позволяющая перейти к серийному производству и внедрению СВЧ-стерилизатора не только в стационарах, но и в передвижных медицинских пунктах, в зонах боевых действий и катаклизмов, медицинских пунктах в отдаленных областях страны. Кроме этого были проведены исследования на косметологических инструментах, которые показали экономическое и временное преимущества перед приборами, используемыми на данный момент в этой отрасли. Отдельное расширение области применения было проведено и на стоматологические инструменты, которые также подвергались заражению по разработанной методике и было доказано, что СВЧ-стерилизатор может быть применен также в стоматологических клиниках.