Проекты участников финального этапа НТТМ-2017

← К списку проектов

Проект
Лазерная нанокомпозитная сварка рассечённых биологических тканей
НТТМ-2017-0735 | Категория I

Автор:

Власова Елизавета Васильевна

Самунашвили Николай Арсенович

Научный руководитель:
Пьянов Иван Владимирович
Организация:
ГБОУ г. Москвы «Школа №2005»,
Москва
Цель работы
Основная цель нашего проекта - исследование и разработка новых способов соединения рассечённых биологических тканей. Проблема, на решение которой направлен наш проект - это внедрение в медицинскую практику новых бесшовных способов соединения тканей без их прокола и применения шовного и скобочного материала, при которых достигается наибольшая эффективность восстановления целостности рассечённых биологических тканей. При этом имеются определённые преимущества предлагаемого метода перед традиционными методами (скобный, шовный, клеевой, с использованием липкого пластыря), в том числе минимальный размер шва; отсутствие осложнений, сокращение продолжительности операции и времени послеоперационной реабилитации, лучшие косметические результаты.
Обзор предметной области
В настоящее время в хирургии, травматологии и косметологии используется несколько способов соединения рассечённых биологических тканей – классический шов, клеевое соединение, пластырь, медицинские скобы. Данные методы обладают как преимуществами, так и недостатками. Были проанализированы такие показатели, как размер рубца, токсичность используемого шовного материала, герметичность шва для жидкостей, прочность и риск прорезывания шва, время послеоперационной реабилитации, а также косметический эффект.
Лазерная сварка биотканей относится к бесшовным способам соединения тканей без их прокола и применения шовного и скобочного материала. Бесшовные способы основаны на использовании, например, лейкопластырей и клеящих веществ, чтобы обеспечить герметичность раны при отсутствии сдавливания тканей и их краевого некроза. Важно также перекрыть пути проникновения инфекции в рассечённую ткань. С помощью лейкопластыря обычно соединяют края небольших поверхностных ран. Медицинскими клеевыми композициями соединяют мягкие ткани и кости. Лазерная сварка отличаются бесконтактным, наиболее безопасным способом соединения тканей, а также возможностью попутной стерилизации раневой поверхности. Применение же контактных методов соединения тканей, в том числе с использованием клеящих составов, не исключает опасности внесения в рану токсичных составляющих и заноса инфекции. Важной особенностью лазерной сварки является локальность воздействия лазерного луча, при фокусировке которого легко достигаются миллиметровые размеры засвечиваемой области ткани. Еще одной особенностью является адаптивная терморегуляция сварного шва и прилегающих тканей.
Преимущества лазерного восстановления целостности рассечённых биологических тканей перед традиционными методами (скобный, шовный, клеевой, с использованием липкого пластыря):
- минимальный размер шва;
- бескровное и малотравматичное выполнение операционного вмешательства;
- отсутствие нагноений;
- повышенная герметичность закрытия раны;
- сокращение продолжительности операции;
- сокращение времени послеоперационной реабилитации;
- лучшие косметические результаты.
Исследование возможностей лазерной сварки биологических тканей ведется в последнее время в разных странах. Признано, что этот способ устранения ран и операционных разрезов является во многих случаях наиболее эффективным. Заживление происходит быстро и качественно, не остается рубца, излучение стерилизует раневую поверхность. При лазерной сварке в области соединения тканей или органов применяют специальные припои. Они поглощают лазерное излучение, склеивая края раны и увеличивая прочность швов. Чаще всего в качестве основы для лазерных припоев выбирают водные дисперсии лазеростойкого альбумина, добавление которых обеспечивает первичное сцепление тканей.
Основным параметром, определяющим эффективность лазерной сварки биологических тканей, является температура коагуляции ткани. Для человеческой ткани температура коагуляции находится в интервале 65-95 C и для каждого типа белка температура коагуляции должна удерживаться с точностью (1-3) C.
При лазерной сварке без биоприпоя на сварочный шов и ближайшие ткани происходит очень высокая энергетическая нагрузка (~600 Дж/см2) исходящая от лазерного излучения, что вызывает повреждение или карбонизацию ткани. Cильный эффект увеличения прочности сварочного шва при лазерной сварке биологических тканей реализуется при использовании биоприпоя на основе нанокомпозита бычьего сывороточного альбумина и углеродных нанотрубок. При оптимальном значении температуры (60-65 °С) свариваемого участка биологической ткани достигаются большие значения прочности на разрыв чем при использовании бычьего сывороточного альбумина без содержания углеродных нанотрубок.
Список использованных источников:
1. Герасименко А.Ю., Дедкова А.А., Ичкитидзе Л.П., Подгаецкий В.М., Пономарева О.В., Тавризова М.А. Исследование биосовместимых объемных композиционных материалов, полученных из водной дисперсии альбумина с углеродными нанотрубками // Нанотехника, 2012, № 3(31), с. 39-46.
2. Герасименко А.Ю, Ичкитидзе Л.П., Подгаецкий В.М., Селищев С.В. / Лазерный метод создания биосовместимых композиционных наноматериалов с углеродными нанотрубками // книга: Нанотехнологии в электронике. Выпуск 2. Под редакцией чл.-корр. РАН Ю.А. Чаплыгина. Москва: Техносфера, 2013. – 688c. ISBN 975-5-94836-353-0, с. 407-448.
3. Герасименко А.Ю. Применение нанокомпозитного припоя для лазерной сварки биологических тканей // Микроэлектроника и информатика – 2010. XVII всероссийская межвузовская НТК студентов и аспирантов: Тезисы докладов. – М.: МИЭТ, 2010. – с. 276.
4. Герасименко А.Ю. Лазерная сварка биологических тканей с использованием нанокомпозитного припоя на основе водной дисперсии альбумина // Актуальные проблемы современных наук-2010: Тезисы докладов. – М.: Ставрополь, 2010, т. 28. – с. 66-68.
5. Газета ПОИСК «СВАРКА СБОРКОЙ. УЧЕНЫЕ МИЭТ НАУЧИЛИСЬ СТРОИТЬ БИОСОВМЕСТИМЫЙ НАНОКАРКАС С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРА» http://www.poisknews.ru/theme/kpd/15296/
Описание результатов проекта
В ходе выполнения проекта были получены следующие результаты:
1. Выполнен аналитический обзор современной научно-технической, нормативной и методической литературы, затрагивающей научно-техническую проблему лазерной сварки биологических тканей;
2. С помощью погружного ультразвукового гомогенизатора для подготовки углеродных нанотрубок изготовлены биосовместимые наноматериалы;
3. Совместно с сотрудниками лаборатории биомедицинской оптики кафедры биомедицинских систем НИУ МИЭТ была собрана экспериментальная установка для лазерной сварки биологических тканей;
4. Проведены эксперименты по сварке биологических тканей;
5. Исследована прочность хирургических швов, полученных с использованием биосовместимого наноматериала.

Работа над проектом проводилась в 3 этапа:
Этап 1. Создание биосовместимого нанокомпозита
Этап 2. Экспериментальная установка для лазерной сварки биологических тканей
Этап 3. Исследование прочности сварного шва

Научная новизна проекта заключается в следующем.
1. Предлагается состав биосовместимого наноматериала – нанокомпозитного биоприпоя.
2. Предлагается метод изготовления биосовместимого наноматериала с использованием погружного ультразвукового гомогенизатора для подготовки углеродных нанотрубок.
3. Предлагается аппарат для лазерной сварки биологических тканей, отличительной особенностью которого будут 2 системы - подачи биоприпоя и контроля параметров лазерного излучения таким образом, что в области сварки поддерживается заданная температура.
Описание применимости
Результаты проекта могут найти применение в практической медицине, а именно в хирургии, травматологии и косметологии, а также в ветеринарии, т.к. везде, где необходимо соединение рассечённых биологических тканей человека или животных. Конечные пользователи - врачи-хирурги, в т.ч. челюстно-лицевые хирурги, травматологи, косметологи, а также ветеринары.
Дальнейшее развитие проекта
В рамках продолжения работы над нашим проектом мы планируем выполнить следующие работы: - Исследовать сварной шов методами оптической, атомно-силовой и сканирующей электронной микроскопии, томографии; - Найти способы повышения прочности хирургических швов биологических тканей; - Разработать систему подачи биоприпоя и систему контроля параметров лазерного излучения для аппарата лазерной сварки биологических тканей; - Провести контрольные эксперименты по управляемому облучения биологических тканей; - Провести исследования токсичности биосовместимого наноматериала при взаимодействии с биологическими тканями; - Подготовить материалы заявки на патентование аппарата для лазерной сварки биологических тканей; - Разработать рекомендации по практическому применению аппарата и биосовместимого наноматериала в медицине (в т.ч. в хирургии, травматологии и косметологии).

Информация предоставлена участником конкурса. Организаторы конкурса не несут ответственности за содержание информации о проекте.

← К списку проектов




Список всех проектов финального этапа с датами защиты

 

© Всероссийский конкурс научно-технического творчества молодежи НТТМ

E-mail: info@konkurs-nttm.ru