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 16-15-00208

НазваниеДвухкомпонентный магнитоактивный фиксатор сетчатки глаза для хирургического лечения неоперабельных отслоек сетчатки с грубыми рубцовыми изменениями

РуководительКрамаренко Елена Юльевна, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 2016 г. - 2018 г. 

Конкурс№11 - Конкурс 2015 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований по приоритетным тематическим направлениям исследований» (11).

Область знания, основной код классификатора 05 - Фундаментальные исследования для медицины, 05-224 - Офтальмология

Ключевые словаОптикореконструктивная хирургия, осложнённые отслойки сетчатки, пломбирование, витректомия pars plana (PPV), пролиферативная витреоретинопатия (ПВР), ретинотомия, магнитный эластомер, магнитореологический эластомер, магнитореологический эффект, магнитное поле.

Код ГРНТИ76.09.00, 76.29.56


СтатусУспешно завершен


 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ


Аннотация
Актуальность проблемы лечения тяжёлых отслоек сетчатки, в первую очередь, обусловлена тем, что без хирургического лечения, направленного на реконструкцию нормального анатомического положения сетчатки, это заболевание приводит к слепоте практически в 100% случаев. Среди страдающих отслойкой сетчатки более 80% составляют люди трудоспособного возраста. Снижая зрение, отслойки сетчатки не только резко снижают качество жизни пациентов, но и чаще всего лишают их возможности работать по профессии, что делает лечение этого заболевания не только актуальной проблемой реконструктивной офтальмохирургии, но также и актуальной социальной проблемой, связанной с реабилитацией слабовидящих. Механизм развития отслойки сетчатки принципиально сводится к появлению разрыва сетчатки и затеканию части прозрачного жидкого содержимого глаза (стекловидного тела) сквозь разрыв под сетчатку, в результате чего сетчатка отслаивается от подлежащих тканей. Когда сетчатка отслаивается, часть слоёв сетчатки (включая палочки и колбочки) теряют связь с питающими их кровеносными сосудами, находящимися в подлежащей сосудистой оболочке. Клетки сетчатки, относясь к нервным, не восстанавливаются. Поэтому при отслойках сетчатки необходимо как можно быстрее, качественнее и надёжнее приложить сетчатку к подлежащим тканям, и максимально снизить риск рецидива. Последние два десятилетия пристальное внимание исследователей обращено на оптимизацию лечения осложнённых отслоек сетчатки, так как у пациентов с этим заболеванием частота рецидивов может достигать 20% и выше (в зависимости от тяжести отслойки). Отслойка сетчатки считается осложненной, если на поверхности отслоенной сетчатки разрастается патологическая ткань в виде покрывала, называемая эпиретинальной мембраной. Мембраны сначала вырастают, а потом стягиваются, сморщивая сетчатку и не позволяя ей удерживаться в нормальном положении. Стандартная операция, применяющаяся в настоящее время для хирургического лечения осложненных отслоек сетчатки, осуществляется следующим образом. Сначала проводят удаление стекловидного тела и максимально полно удаляют эпиретинальные мембраны. Затем полость глаза заполняют тяжёлой прозрачной гидрофобной жидкостью — перфторорганическим соединением. Перфторорганическое соединение придавливает сетчатку, вытесняя жидкость из-под сетчатки через разрывы, и сетчатка прилегает. Затем на сетчатку вокруг разрывов наносят точечные лазерные ожоги (выполняют лазеркоагуляцию) и завершают операцию заменой перфторорганического соединения на силиконовое масло. Спустя некоторое время, после того, как в области лазерных точечных ожогов за счёт образования рубцовой ткани сетчатка фиксируется к подлежащим тканям, проводят вторую операцию: удаляют силиконовое масло, заменяя его на газ (гексафторид серы SF6 или перфторпропан C3F8). Через 1 месяц газ рассасывается, естественным образом заменяясь внутриглазной жидкостью. Необходимость прилегания сетчатки на операционном столе — ультимативное условие для эффективной лазеркоагуляции. Если наносить лазеркоагуляты на отслоенную сетчатку, сетчатка не будет спаиваться с подлежащими тканями и отслоится снова (рецидивирует). Если невозможно расправить сетчатку полностью на операционном столе, то хирург добивается прилегания центральной зоны сетчатки ценой потери периферии сетчатки: делается разрез сетчатки (ретинотомия) между центром сетчатки и периферией, чтобы добиться прилегания центральной сетчатки. Сетчатку разрезают на полную окружность с центром в макуле или на часть окружности. Лазеркоагуляцию в этом случае проводят по периметру образованного в результате ретинотомии центрального круга сетчатки. Вышеописанные манипуляции не всегда приводят к реконструкции анатомического положения сетчатки в том виде, в каком сетчатка находилась до развития отслойки. Зачастую после ретинотомии круг центральной сетчатки, будучи освобождённым от натяжения со стороны периферических отделов сетчатки, сморщивается. При этом после операции пациент видит искажённое изображение. В ряде случаев после ретинотомии периметр центрального круга сетчатки становится волнистым и не прилегает к подлежащим тканям. В этих случаях проведение лазеркоагуляции невозможно и, следовательно, невозможно достичь прилежания сетчатки в послеоперационном периоде. Несмотря на массу очевидных недостатков, ретинотомия на сегодняшний день — это стандарт лечения особо тяжёлых отслоек сетчатки, и эффективной альтернативы для этих случаев не существует. В рамках данного проекта предлагается разработка новой методики хирургического лечения тяжёлых отслоек сетчатки с применением нового магнитоактивного медицинского изделия для фиксации сетчатки в нормальном анатомическом положении. Целью реализации проекта является улучшение качества зрительной реабилитации пациентов с отслойками сетчатки, осложнёнными эпиретинальными мембранами. Основанное на принципиально новом для офтальмологии принципе действия, разрабатываемое медицинское изделие будет фиксировать сетчатку к подлежащим тканям за счёт магнитных взаимодействий между «заплаткой» из нового магнито-полимерного композита, расположенной внутри глаза на поверхности сетчатки, и «магнитной пломбой» из одного или нескольких тонких постоянных магнитов, заключённых в биосовместимую силиконовую резину и подшитых к склере в любой точке периметра пломбы. За счёт взаимного притяжения магнитной пломбы и заплатки перед ретинотомией двухкомпонентный магнитный фиксатор потенциально будет удерживать сетчатку расправленной, не давая ей сокращаться, предотвращая искажение изображения после операции. Достижение поставленной цели стало возможным благодаря созданию в последние годы нового магнитоактивного эластомера (МАЭ), технология синтеза которого позволяет варьировать состав и свойства композита в широком диапазоне. В частности, участниками проекта создан МАЭ на основе силиконовой резины с рекордным откликом на магнитное поле, а именно, изменяющий модуль упругости в магнитном поле на несколько порядков. Полученные в настоящее время результаты (см. раздел современное состояние) в области синтеза МАЭ и исследования его свойств дают основание заключить, что данный материал удовлетворяет основным требованиям разрабатываемого устройства и может быть модифицирован для медицинских применений. Проект имеет ярко выраженный междисциплинарный характер, так как включает методы синтеза магнитоактивного материала, являющегося основой разрабатываемого устройства, физические методы исследования его свойств в зависимости от состава и от величины и конфигурации магнитного поля, разработку конструкции фиксатора, и, наконец, методы имплантации фиксатора и его возможного удаления. Таким образом, разрабатываемое медицинское изделие потенциально способно улучшить прогноз у пациентов, которые в настоящее время считаются бесперспективными в плане восстановления зрительных функций.

Ожидаемые результаты
Основным результатом данного проекта будет создание нового медицинского изделия для фиксации сетчатки в нормальном анатомическом положении. Для достижения данного результата в ходе выполнения проекта будет решён целый ряд важных задач, а именно, будет разработан новый биосовместимый магнитоактивный материал как элемент медицинского изделия, рассчитаны магнитные поля и силы взаимодействия в системе «МАЭ-постоянный магнит» разной конфигурации, созданы оптимальные конструкции системы «МАЭ-постоянный магнит» для реализации необходимого прижимного давления при фиксации сетчатки у пациентов с осложненными отслойками сетчатки. Разрабатываемое медицинское изделие будет протестировано на свиных и кадаверных глазах. Применение нового магнито-полимерного фиксатора способно улучшить прогноз у пациентов, которые в настоящее время считаются бесперспективными в плане восстановления зрительных функций. Таким образом, результаты проекта внесут существенный вклад в решение не только проблем клинической хирургии, но и социальной проблемы, связанной с реабилитацией слабовидящих пациентов.


 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ


Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проект направлен на создание нового материала и нового медицинского приспособления – двухкомпонентного фиксатора сетчатки глаза – для повышения эффективности лечения пациентов с осложнёнными отслойками сетчатки. В первый год выполнения проекта были отработаны методики синтеза магнитоактивного эластомера (МАЭ) – материала для создания одного из компонентов фиксатора, а именно, магнитной пломбы, вводимой внутрь глаза. В качестве полимерного связующего для создания МАЭ был использован силиконовый каучук марки СИЭЛ, синтезированный в ГНИИХТЭОС, в качестве магнитного наполнителя использовали порошки карбонильного железа, предварительно восстановленные в водороде для удаления углерода, присутствующего на поверхности и в структуре карбонильного железа. С помощью такой обработки удалось уменьшить дефектность поверхности частиц железа и улучшить их коррозионную стойкость. Кроме того, изучена возможность эффективного улучшения качества диспергирования магнитного наполнителя, а также управления вязкоупругими свойствами МАЭ, путем добавления в состав железного наполнителя частиц магнетита размера 0.5 мкм. Отработан метод получения жидкой композиции МАЭ, основанный на диспергировании модифицированного магнитного порошка в жидком полимерном связующем. На основе полученных композиций были синтезированы образцы лент различной толщины, из которых вырезались диски для изучения вязкоупругих свойств МАЭ. Отработана методика получения тонких пластин МАЭ с помощью раскатки магнито-полимерной композиции ракелем по поверхности стекла и фторопласта. С использованием данной методики синтезированы ленты МАЭ толщиной от 0.09 до 0.8 мм, из которых были вырезаны образцы для измерений магнитных свойств МАЭ, а также магнитные пломбы для изучения их взаимодействия с системами постоянных магнитов и проведения экспериментов по введению и фиксации пломб на изолированных глазных яблоках. Отработан метод получения магнитных пломб разного размера и формы с помощью лазерной и механической резки. Проведена модификация частиц железа путем покрытия их поверхности силиконовым каучуком для обеспечения надёжной изоляции частиц от биологической среды. Разработана методика получения силиконового каучука медицинской чистоты, которая заключалась в дополнительной очистке перегонкой основных реакционных компонентов: октаметилциклотетрасилоксана, гексавинилдисилоксана, тетраметилдивинилдисилоксана при атмосферном давлении, а компонента тетраметилтетравинилциклотетрасилоксан под вакуумом при 2 кПа. Конечную продукцию отгоняли до достижения содержания нелетучих веществ не менее 98%. Изучены вязкоупругие и магнитные свойства синтезированных образцов МАЭ. Показано, что компоненты динамического модуля упругости материала сильно возрастают в магнитном поле, в зависимости от состава МАЭ рост модулей составляет до десятков раз. Изучение прочностных характеристик МАЭ показало, что напряжение при разрыве достигает 0.3 МПа, а растяжение при разрыве превышает 140%. Для описания вязкоупругих свойств МАЭ и их зависимости от приложенного внешнего магнитного поля были предложены и проанализированы несколько реологических моделей с использованием дробных элементов. Путём сравнения соответствующих им относительных ошибок аппроксимации динамических модулей материала были выявлены модели МАЭ, наилучшим образом описывающие реологическое поведение МАЭ в магнитных полях. Получены полевые зависимости магнитной проницаемости образцов, а также самого материала с учетом размагничивающего фактора образцов. Путем аппроксимации функцией Ланжевена полученных петель гистерезиса определены параметры, которые затем использованы в компьютерном моделировании взаимодействия МАЭ с системами постоянных магнитов. Для расчёта конфигурации магнитного поля системы постоянных магнитов и параметров его взаимодействия с образцами МАЭ была создана и отлажена компьютерная программа, реализующая расчёт методом конечных элементов. Разработана численная модель, учитывающая неоднородность распределения намагниченности в магнитах, связанную с наличием полей размагничивания, а также учитывающая полевую зависимость магнитной проницаемости материала МАЭ, включающую в себя форм-фактор образцов. В результате, помимо конфигурации магнитного поля, были получены распределения давления по поверхности образца и зависимости силы взаимодействия от расстояния между магнитами и МАЭ, а также от других геометрических параметров системы. Была рассмотрена задача о смещении образца вдоль силиконовой ленты с помещёнными внутрь неё магнитами и получены зависимости тангенциальных и нормальных сил от положения образца, что важно для разработки методов фиксации внутренней магнитной пломбы в области разрыва сетчатки. В ходе экспериментальных исследований на изолированных донорских глазных яблоках оптимальное значение прижимного усилия на сетчатку со стороны внутренней магнитной пломбы оценено в 307±10 Па. Такое давление, оптимальное с точки зрения удержания сетчатки в нормальном анатомическом положении, удавалось достичь при использовании внутренних пломб толщиной 0,12 мм и шириной 2 мм и наружной магнитной пломбы с дисковидными неодимовыми магнитами диаметром 3 мм и толщиной 1 мм, расположенными в один ряд на расстоянии 1 мм друг от друга. Разработан малотравматичный способ фиксации наружных магнитных пломб. Способ заключается в расположении наружной пломбы под прямыми мышцами глаза и подшивании пломбы швами П-образной формы без создания выраженного вала вдавления. Экспериментально подтвержден оптимальный способ введения внутренней магнитной пломбы посредством экспериментальной инжекторной системы, представляющей собой выполненные из пластика конус с толкателем, при этом толкатель на конце снабжён эластичным силиконовым наконечником, позволяющим проталкивать пломбу через узкое выходное отверстие конуса. Как показали эксперименты, внутренние пломбы из МАЭ могут быть удалены из полости глаза при помощи витреотома — микрохирургической системы для удаления стекловидного тела, что позволяет удалять пломбы через разрез менее 1 мм и является выраженным положительным свойством данной технологии. По результатам проведенной на первом этапе работы одна статья опубликована в журнале Physics Procedia, одна статья принята в печать в журнал Smart Materials and Structures, две статьи посланы в печать. Поданная патентная заявка на полезную модель «Внутренняя магнитная пломба для хирургического лечения отслоек сетчатки» получила положительное заключение о выдаче патента. Также подготовлены и поданы две заявки на патент «Способ хирургического лечения осложненной отслойки сетчатки глаза с высоким риском рецидивирования» и «Способ хирургического лечения отслойки сетчатки глаза, осложнённой тяжёлой пролиферативной витреоретинопатией». Результаты работы докладывались на двух международных конференциях: 14-ой международной конференции по магнитным жидкостям (14th International Conference on Magnetic Fluids), Екатеринбург, Россия, 4 – 8 июля 2016 и на VII Байкальской международной конференции «Магнитные материалы. Новые технологии» (7th Baikal International Conference), Пос. Листвянка, Иркутская область, 22-26 августа 2016 г. Информация о проекте размещена на сайте кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: http://polly.phys.msu.ru/ru/labs/Kramarenko/projects/

 

Публикации

1. Макарова Л.А., Алехина Ю.А., Русакова Т.С., Перов Н.С. Tunable properties of magnetoactive elastomers for biomedical applications Physics Procedia, v.82, pp. 38-45 (год публикации - 2016) https://doi.org/10.1016/j.phpro.2016.05.008

2. Сорокин В.В., Степанов Г.В., Шамонин М., Монкман Г.Дж., Крамаренко Е.Ю. Magnetorheological behavior of magnetoactive elastomers filled with bimodal iron and magnetite particles Smart Materials and Structures, - (год публикации - 2016)

3. Алехина Ю.А., Макарова Л.А., Крамаренко Е.Ю., Наджарьян Т.А., Перов Н.С. The interaction of magnetorheological elastomers with the permanent magnets Тезисы докладов VII Байкальской Международной конференции "Магнитные материалы. Новые технологии.", 205-206 (год публикации - 2016)

4. Наджарьян Т.А., Макарова Л.А., Алехина Ю.А., Русакова Т.С., Степанов Г.В., Перов Н.С., Крамаренко Е.Ю. Interaction of magnetoactive elastomers with various systems of permanent magnets 14th International conference on magnetic fluids. Book of Abstracts, 153 (год публикации - 2016)

5. Казимирова Е.Г., Ширяев В.В., Лыскин П.В., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю. Внутренняя магнитная пломба для хирургического лечения отслоек сетчатки Федеральная служба по интеллектуальной собственности, - (год публикации - 2016)

6. Казимирова Е.Г., Ширяев В.В., Лыскин П.В., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю. Внутренняя магнитная пломба для хирургического лечения отслоек сетчатки -, - (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2017 году
В рамках данного проекта разрабатывается новое устройство медицинского назначения — двухкомпонентный фиксатор сетчатки глаза, предназначенный для повышения эффективности хирургического лечения пациентов с осложнёнными отслойками сетчатки. На втором этапе выполнения проекта синтезированы новые образцы магнитоактивного эластомера для получения на их основе внутренних магнитных пломб разрабатываемого фиксатора. В ходе синтеза композита проведена модификация поверхности микрочастиц железа, синтезированы силиконовые матрицы «медицинской чистоты». Получены образцы МАЭ разного состава на основе модифицированных частиц железа с использованием силиконового полимера «медицинской чистоты», концентрация магнитного наполнителя варьировалась от 52 до 80 масс %. Получены пленки из МАЭ разного состава с толщиной 0.2-0.5 мм для экспериментальных медицинских исследований и аналогичные по составу пленки и диски с толщиной 0.2-0.9 мм для прочностных и реологических измерений. Изучена структуры поверхности МАЭ и измерены краевые углы смачивания образцов МАЭ в зависимости от состава и метода синтеза, показано, что структура поверхности однородна и что поверхность обладает гидрофобными свойствами, которые слабо зависят от состава материала и величины внешнего магнитного поля до 300 мТл. Изучены вязкоупругие свойства МАЭ в зависимости от состава и величины внешнего магнитного поля. Измерены частотные зависимости компонент динамического модуля упругости всех полученных образцов МАЭ для выбора параметров реологической модели, описывающей вязкоупругое поведение МАЭ в магнитных полях. Проведенное тестирование образцов на прочность продемонстрировало высокие значения деформации и напряжения при разрыве, намного превышающие ожидаемые при использовании пломб для лечения отслоения сетчатки. Измерения магнитных свойств МАЭ показали, что восприимчивость в нулевом поле и намагниченность в максимальном поле монотонно увеличиваются с ростом концентрации частиц железа. Для всех образцов были определены параметры, используемые при задании магнитных свойств материала в моделировании. Были получены внешние магнитные пломбы для магнитного фиксатора глаза разной конфигурации. Для их изготовления использовались постоянные неодимовые магниты разного размера и формы, которые помещались в ленту из силикона. В частности, были получены магнитные пломбы на основе дискообразных, кольцевых и прямоугольно-параллелепипедных магнитов. Магниты в пломбах располагались в ряд, причем, направления магнитных моментов магнитов в пломбах либо совпадали, либо чередовались. Также были созданы двухрядные пломбы с разным расположением магнитов в рядах. Кроме того, впервые получены магнитные пломбы из магнито-полимерного композита, содержащего магнитожесткий наполнитель. В качестве наполнителя в этом случае использовали частицы сплава неодим-железо-бор, в качестве матрицы – силиконовый эластомер. Полученные магнито-полимерные пломбы намагничивали в магнитном поле 16 кЭ. С Была проведена модернизация созданной на первом этапе экспериментальной установки для измерения сил взаимодействия образцов МАЭ и систем магнитов с целью повышения точности измерений. Было получено, что абсолютное значение магнитного давления в магнитном фиксаторе увеличивается с ростом концентрации магнитного наполнителя в МАЭ. Его зависимость от расстояния между поверхностями внутренней и внешней пломб описывается гиперболической функцией. Измерения сил взаимодействия в магнитном фиксаторе с цилиндрическими и кольцевыми магнитами одинаковых размеров продемонстрировали, что отверстие в магните, несмотря на увеличение неоднородности, значительно ослабляет магнитное поле, что приводит к ослаблению взаимодействия приблизительно в 3 раза. Также были исследованы силы взаимодействия образцов МАЭ разного состава и размера с системами двухрядных пломб однонаправленных и чередующихся магнитов. Обнаружено, что давление в случае чередующихся магнитов имеет большее значение из-за большей неоднородности магнитного поля. Измерения сил взаимодействия в плоской и криволинейной конфигурациях показали, что расхождение значений сил для плоской и криволинейной поверхностей невелико и составляет порядка 25% при минимальном расстоянии 0.5 мм. Также было получено, что давление, достигаемое при использовании внешней пломбы на основе сплава неодим-железо-бор, в несколько раз ниже, чем для пломб, изготовленных из промышленных магнитов. Предложены различные теоретические подходы как для описания вязкоупругих свойств МАЭ, так и для расчета магнитных полей и давлений, возникающих в системах МАЭ-магнит. В частности, выявлен класс дробных реологических моделей, приводящих к минимальным ошибкам при описании с их помощью вязкоупругого отклика материала для широкого диапазона магнитных полей. На основе разработанной на первом этапе выполнения проекта программы моделирования рассчитаны конфигурации магнитных полей для плоской и криволинейной геометрии фиксатора. Показано, что различие в характеристиках магнитных полей для плоского случая и случая с кривизной геометрии, соответствующей кривизне реального человеческого глаза, невелико. Была дана оценка ошибки использования плоской геометрии вместо геометрии, соответствующей человеческому глазу. Показана возможность использования плоской геометрии для многих расчётов. Был проведён анализ влияния ошибок в геометрических параметрах системы магнитов на получаемые результаты. Рассмотрены ошибки при смещениях и вращениях одного из магнитов системы, полностью случайные ошибки и скоррелированные ошибки для всей системы. Показано, ошибки какого рода вносят наибольшие возмущения. Также в рамках рассмотрения задачи о взаимодействии образца МАЭ с системой постоянных магнитов были рассчитаны тангенциальные компоненты действующих сил при различных положениях и размерах образцов. Найдено, что размеры образцов, при которых достигается наибольшая устойчивость в тангенциальных направлениях, должны в длину составлять один-два периода магнитной системы. Разработан модельный глаз для оценки величины тангенциального смещения внутренних пломб при их наложении на сетчатку. Последующие исследования на донорских глазах показали хорошую воспроизводимость результатов, полученных на модельном глазу. В ходе экспериментальных исследований на изолированных донорских (трупных) глазных яблоках изучены условия для наиболее точного расположения внутренних пломб на внутренней поверхности глаза для различных пар наружных и внутренних пломб, включая наружные пломбы, содержащие дисковидные и прямоугольно параллелепипедные магниты (однонаправленные и с чередующимся направлением магнитного поля), с расположением дисковидных магнитов в 1 ряд и в 2 ряда параллельно и в шахматном порядке, наружные пломбы с экранированием слоем магнитоактивного эластомера и наружные пломбы из эластомера с магнитожестким наполнителем в паре с внутренними пломбами толщиной 0,2мм и 0,4мм различной длины, в том числе длиной в 1 и 2 периода размещения магнитов во внешних пломбах, а также пломбами-лентами длиной, равной всей длине наружной магнитной пломбы. Найдено решение проблемы тангенциального смещения внутренних пломб. Согласно результатам экспериментов, условием для наиболее точного позиционирования внутренних магнитных пломб в магнитном поле, создаваемом наружными магнитными пломбами является использование внутренних пломб длиной, кратной периоду расположения постоянных магнитов в наружной пломбе. Установлено, что наружные пломбы с экранированием слоем магнитоактивного эластомера дают меньшее по величине тангенциальное смещение чем те же пломбы без экранирования, однако их магнитное поле слабее, и при их использовании давление на сетчатку со стороны внутренних пломб было недостаточным. Выявлено, что внутренние пломбы с прямоугольным краем занимают более стабильное положение в магнитном поле наружных пломб по сравнению с внутренними пломбами выпукло-вогнутой формы, так как "хвостики" выпукло-вогнутых пломб часто заворачивались под пломбу. Таким образом на будущее определена предпочтительная форма внутренних пломб: в виде прямоугольников со скругленными краями. По результатам проведенной работы подготовлены и опубликованы три статьи в высокорейтинговых журналах, подготовлены и сделаны доклады (пленарные, приглашенные и постерные) на семи всероссийских и международных конференциях. По трем подготовленным и поданным патентным заявкам получены патенты. Достижения, полученные в рамках проекта, освещались различными СМИ, в частности, Российской газетой (https://rg.ru/2017/11/14/uchenye-iz-mgu-nashli-novyj-sposob-lecheniia-otsloeniia-setchatki.html) и газета.ru (https://www.gazeta.ru/science/news/2017/10/30/n_10754408.shtml). Кроме того, была подготовлена передача, показанная каналом ТВЦентр (http://www.tvc.ru/news/show/id/128716/). Информация о проекте размещена на сайте кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: http://polly.phys.msu.ru/ru/labs/Kramarenko/projects/

 

Публикации

1. Казимирова Е.Г., Ширяев В.В., Лыскин П.В., Крамаренко Е.Ю. Модификация эписклерального пломбирования для дополнительной механической фиксации сетчатки магнитным имплантатом со стороны витреальной полости (экспериментальное исследование) Вестник офтальмологии, том 5, с. 24-30 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.17116/oftalma2017133524-30

2. Макарова Л.А., Наджарьян Т.А., Алехина Ю.А., Степанов Г.В., Казимирова Е.Г., Перов Н.С.,Крамаренко Е.Ю. Magnetoactive elastomer as an element of a magnetic retina fixator Smart Materials and Structures, v.26 , p. 095054 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1088/1361-665X/aa82e9

3. Сорокин В.В., Беляева И.А., Шамонин М., Крамаренко Е.Ю. Magnetorheological response of highly filled magnetoactive elastomers from perspective of mechanical energy density: Fractal aggregates above the nanometer scale? PHYSICAL REVIEW E, v. 95, pp. 062501-1-062501-8 (год публикации - 2017) https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.062501

4. Казимирова Е., Ширяев В., Лыскин П., Крамаренко Е. Magnetic scleral buckling for treatment of retinal detachments with severe proliferative vitreoretinopathy ARVO Annual Meeting, May 7-11 2017, Baltimore, MD, 58, 4162 (год публикации - 2017)

5. Крамаренко Е.Ю., Макарова Л.А., Наджарьян Т.А., Алехина Ю.А., Степанов Г.В., Казимирова Е.Г., Перов Н.С. New properties and applications of magnetoactive elastomers The 11th Japanese-Russian Workshop on “Open Shell Compounds and Molecular Spin Devices, Awaji, Japan, 12-15 nobember 2017, p. 12 (год публикации - 2017)

6. Наджарьян Т.А., Алехина Ю.А., Макарова Л.А., Степанов Г.В., Перов Н.С., Крамаренко Е.Ю. Modeling of the interaction between a magnetoactive elastomer sample and a system of magnets 3rd International Summer School and Workshop "Complex and Magnetic soft matter systems: physico-mechanical properties and structure", Дубна, Россия, 28-30 декабря 2017, с. 53 (год публикации - 2017)

7. Наджарьян Т.А., Алехина Ю.А., Макарова Л.А., Степанов Г.В., Перов Н.С., Крамаренко Е.Ю. Interaction parameters computation for a system of permanent magnets and magnetoactive elastomer sample Book of Abstracts of Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2017), Moscow, 1-5 July 2017, p. 509 (год публикации - 2017)

8. Наджарьян Т.А., Алёхина Ю.А., Макарова Л.А., Степанов Г.В., Перов Н.С., Крамаренко Е.Ю. КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ СИСТЕМЫ ПОСТОЯННЫХ МАГНИТОВ С ОБРАЗЦОМ МАГНИТОАКТИВНОГО ЭЛАСТОМЕРА Сборник тезисов VII Всероссийской Каргинской конференции " Полимеры – 2017", Москва, 13-17 июня 2017 г., стендовые доклады, с.684 (год публикации - 2017)

9. Наджарьян Т.А., Макарова Л.А., Алехина Ю.А., Перов Н.С., Казимирова Е.Г., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю. Магнитоактивный эластомер как элемент фиксатора сетчатки глаза ХХ Зимняя школа по механике сплошных сред, 13-16 февраля, 2017 г., Пермь, Россия, с.237 (год публикации - 2017)

10. Сорокин В.В., Беляева И.А., Шамонин М., Крамаренко Е.Ю. Magnetorheological response of highly filled magnetoactive elastomers from perspective of mechanical energy density Book of Abstracts of Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2017), Moscow, 1-5 July 2017, p. 671 (год публикации - 2017)

11. Степанов Г.В., Наджарьян Т.А., Макарова Л.А., Алехина Ю.А., Сорокин В.В., Казимирова Е.Г., Перов Н.С., Крамаренко Е.Ю. Магнитоактивные эластомеры: современное состояние и перспективы развития Сборник тезисов VII Всероссийской Каргинской конференции "Полимеры – 2017", Москва, 13-17 июня 2017 г., пленарные доклады., с. 4 (год публикации - 2017)

12. Казимирова Е.Г., Ширяев В.В., Лыскин П.В., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю. Способ хирургического лечения осложненной отслойки сетчатки глаза с высоким риском рецидивирования патент, 2628651 (год публикации - 2017)

13. Казимирова Е.Г., Ширяев В.В., Лыскин П.В., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю. Способ хирургического лечения отслойки сетчатки глаза, осложнённой тяжёлой пролиферативной витреоретинопатией патент, 2628652 (год публикации - 2017)

14. - Российские ученые создали «умный материал» для лечения отслойки сетчатки газета.ru, 30.10.2017 (год публикации - )

15. - Заплатка из магнита. Новый метод лечения отслоения сетчатки глаза Российская газета, Российская газета - Федеральный выпуск №7424 (258) (год публикации - )


Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Создание эффективного магнитного фиксатора, прижимная сила которого обусловлена магнитными взаимодействиями, позволит решить важную медицинскую проблему – фиксацию отслоившейся сетчатки в глазу с целью её приживления и восстановления зрения. На предыдущих этапах работы были созданы методы модификации магнитных частиц и получения силиконовых матриц «медицинской чистоты», получены образцы магнитоактивного эластомера на их основе для создания внутренних пломб, внедряемых внутрь глаза, созданы внешние пломбы на основе силиконовых жгутов с постоянными магнитами, на основе экспериментальных измерений и теоретических расчетов продемонстрирована возможность создания необходимых для удержания сетчатки давлений с помощью магнитных сил, возникающих в предлагаемом магнитном фиксаторе. На третьем этапе были поставлены две основные синтетические задачи: наработка образцов внутренней магнитной пломбы и получение внешних магнито-полимерных пломб нового типа на основе сплава неодим-железо-бор с использованием прессования образцов с высоким наполнением магнитным компонентом. Для решения первой задачи проведены работы по нанесению защитного полимерного покрытия на поверхность металлических магнитных порошков. Оценка толщины покрытия и сплошности покрытия по изменению электрической проводимости спрессованного образца модифицированного порошка показала высокую эффективность обработки поверхности. На основе этих порошков созданы полимерные композиции магнитной пломбы толщиной 0.2 мм и 1 мм с различной концентрацией магнитного наполнителя. Разработан подход к созданию рецептуры силиконового полимерного материала, вулканизуемого по реакции гидросилилирования, и исходных продуктов для него в качестве основы материала медицинского назначения при создании полимерных материалов с заданными свойствами для разработки и производства изделий медицинского назначения, поверхность которых требует защиты от биологически опасной среды. В результате проведенных работ по наработке силиконового полимера «медицинской» чистоты был получен образец компаунда, который был использован для защиты поверхности магнитного наполнителя с получением так называемого модифицированного магнитного порошка. Далее этот полимер был использован для получения магнитного полимерного композита - основы магнитных внутренних пломб. В ходе решения второй синтетической задачи разработано несколько методик получения внешних магнито-полимерных пломб на основе магнитножесткого сплава неодим-железо-бор с использованием прессования образцов с высоким наполнением магнитным компонентом. Были изготовлены образцы материала для внешних магнитных пломб, которые использованы в физических экспериментах и экспериментах на модельных глазах. Изготовлены пластины с наполнителем NdFeB марок Q и М с эпоксидным связующем и концентрацией наполнителя 93% и 95%, пластина на основе NdFeB марки Q и термопластичного связующего, а также пломбы с размерами, пригодными для их использования для фиксации сетчатки плоской и сферической формы радиусом 12.5 мм. Проведено исследование физических свойств (вязкоупругих, прочностных, поверхностных, магнитных) полученных магнито-полимерных композитов как для внутренних, так и для внешних пломб. Показано, что модуль сдвига композитов для внутренних пломб в отсутствие поля меняется в пределах от 15 до 150 кПа, возрастая при увеличении концентрации наполнителя, при этом они обладают высокими прочностными характеристиками (напряжение при разрыве порядка 2 МПа, деформация при разрыве выше 150%), намного превышающими требуемые для их применения в офтальмологии. Изучение механических свойств магнитножестких полимерных композитов показало, что наибольшим модулем обладают материалы, основанные на эпоксидном связующем с концентрацией магнитножесткого наполнителя 90-95% по массе, их модуль упругости достигает 120 МПа, в то время как модуль упругости материалов на основе термопласта оказывается почти в два раза меньше. Поверхность как внутренних, так и внешних пломб из магнито-полимерных композитов характеризуется высокой гидрофобностью, характерные контактные углы смачивания водой превышают 100°. Исследование магнитных свойств МАЭ на основе модифицированных и немодифицированных частиц железа показало, что модификация поверхности наполняющих частиц не оказывает влияния на магнитные свойства МАЭ и позволяет получать образцы «медицинской чистоты». Исследование магнитных свойств магнито-полимерных образцов позволило определить их зависимость от концентрации частиц, типа частиц и типа намагничивания; а также предсказать закономерности их взаимодействия с образцами МАЭ. Показано, что магнитные свойства магнито-полимерных образцов определяются лишь концентрацией магнитного наполнителя; в то время как тип полимерного связующего определяет только возможность движения частиц во внешнем магнитном поле. Такое движение частиц отсутствует во всех жестких пломбах на основе термопластичного или эпоксидного связующего, поэтому магнитные свойства всех этих пломб практически не различаются при одинаковых концентрациях наполняющих частиц. В то же время было обнаружено, что тип намагничивания оказывает сильное влияние на остаточные магнитные свойства пломб, что в дальнейшем было подтверждено измерениями их взаимодействия с МАЭ. Модель взаимодействия образца магнитоактивного эластомера с источниками магнитного поля была модифицирована с целью более точного описания источников поля, не обладающих осевой симметрией распределения намагниченности. Проведены более точные расчёты для случая источников, имеющих форму прямоугольных призм. В качестве источников поля в модели также рассмотрены предварительно намагниченные магнитоактивные эластомеры с магнитножёстким наполнителем (NdFeB). Симулировался процесс намагничивания таких источников при различных концентрациях магнитножёсткого наполнителя. Проведены расчёты параметров взаимодействия намагниченных эластомеров с NdFeB наполнением и эластомерных пломб с магнитномягким наполнителем при различных его концентрациях. Сформулированы рекомендации по использованию эластомеров с магнитножёстким наполнителем в качестве источников поля для задач глазной хирургии. Впервые в проекте были получены экспериментальные данные о взаимодействии новых магнито-полимерных пломб с МАЭ. При увеличении концентрации магнитножестких частиц в пломбе более чем на 10% сила их взаимодействия с МАЭ увеличивается примерно в 3 раза. Было обнаружено, что наибольшее давление на поверхности МАЭ создает пломба с наибольшим содержанием магнитножестких частиц в пломбе 95%. Импульсное намагничивание (амплитуда магнитного поля до 10 Тл) жестких внешних пломб приводит к увеличению взаимодействия с МАЭ на 30% по сравнению с намагничиванием пломбы постоянным полем (1.6 Тл). Более того, увеличение амплитуды (>10 Тл) и длительности импульса привело к более однородному намагничиванию пломбы и, как следствие, ослаблению взаимодействия. Использование термопласта в качестве полимерного связующего в жестких пломбах позволило создать изогнутые пломбы необходимой толщины (до 1 мм) и радиуса кривизны. Изгиб жесткой пломбы с максимальной концентрацией наполняющих частиц, а также намагничивание пломбы в продольной конфигурации привело к возникновению давления на поверхности МАЭ в пределах требуемых значений. Продолжение исследований взаимодействия МАЭ с пломбами на основе постоянных неодимовых магнитов и сравнение результатов для двух типов пломб показало, что пломбы на основе порошка неодим-железо-бор со связующим полимером могут составлять конкуренцию пломбам на основе постоянных магнитов как в величине магнитного взаимодействия, так и в практичности дальнейшего использования. В экспериментах на донорских трупных глазах выявлено, что при использовании наружных магнитных пломб с магнитножестким наполнителем системы неодим-железо-бор в количестве 92% по объему сила притяжения внутренних магнитных пломб толщиной 0,2 и 0,3 мм была достаточной (т.е. составляла 200-300 Па), а при использовании внутренних пломб из магнито-полимерного композита сочетающего в своем составе магнитномягкий наполнитель — карбонильное железо — и магнитножесткий наполнитель системы неодим-железо-бор в соотношении компонентов 1:5 (суммарная доля магнитных наполнителей составляла 80%) сила притяжения была недостаточной, так как не наблюдалось и прижатия сетчатки этими пломбами. Обнаружено, что использование пломбы из МАЭ в виде «заплатки», полностью покрывающей разрыв, технически трудно выполнимо, так как пломбы при наложении на сетчатку глаза образовывали складки, расправление которых отнимало дополнительное время. Было показано, что фиксация внутренних пломб в случае локальной витрэктомии не отличалась от таковой в случае субтотальной витрэктомии. При этом исключалась нежелательная потеря внутренних магнитных пломб, так как на этапе имплантации пломбы находились в вязкой среде стекловидного тела и их произвольного смещения не наблюдалось. Экспериментально доказано, что оптимальным методом фиксации наружных магнитных пломб из эластомера с 92% содержанием магнитножесткого наполнителя является подшивание матрасными швами. Те же пломбы, снабженные "ушками" предпочтительно подшивать напрямую путем прокалывания отверстий в "ушках" хирургической иглой калибра 8,0. Разработан прототип инжекторной системы c удлиненной рабочей частью для имплантации внутренних магнитных пломб. Применение экспериментальной инжекторной системы с использованием жидкости (воды и силиконового масла) позволяло имплантировать в донорские глаза внутренние пломбы длиной 4 мм шириной 2 мм и толщиной 0,2 мм через прокол 0,8 мм. Применение экспериментальной инжекторной системы с металлическими поршнями, изготовленными из слесарных измерительных стержней, позволило имплантировать в трупный глаз внутренние пломбы длиной 4 мм шириной 2 мм и толщиной 0,2 мм через прокол 0,6 мм. По результатам проведенной работы подготовлено 5 статей, три из них опубликованы, а две статьи приняты в высокорейтинговых журналах, подготовлено и сделано 5 докладов (пленарный, приглашенный, устный и постерные) на четырех всероссийских и международных конференциях. Подана и одобрена патентная заявка на полезную модель. Информация о проекте размещена на сайте кафедры физики полимеров и кристаллов физического факультета МГУ имени М.В. Ломоносова по адресу: http://polly.phys.msu.ru/ru/labs/Kramarenko/projects/

 

Публикации

1. Алехина Ю.А., Макарова Л.А., Костров С.А.,Степанов Г.В., Казимирова Е.Г., Перов Н.С., Крамаренко Е.Ю. Development of magnetoactive elastomers for sealing eye retina detachments Journal of Applied Polymer Science, - (год публикации - 2018)

2. Алехина Ю.А., Макарова Л.А., Наджарьян Т.А., Перов Н.С., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ МАГНИТОАКТИВНЫХ ЭЛАСТОМЕРОВ С МАГНИТНОТВЕРДЫМИ КОМПОЗИТНЫМИ ПЛОМБАМИ ДЛЯ СОЗДАНИЯ МАГНИТНОГО ФИКСАТОРА СЕТЧАТКИ ГЛАЗА Известия РАН. Серия физическая, - (год публикации - 2019)

3. Казимирова Е.Г., Ширяев В.В., Лыскин П.В., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю. Гидростатика силиконовой тампонады витреальной полости в аспекте возможности дополнительной механической фиксации сетчатки Sovremennye tehnologii v medicine, 10(4), 15-26 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.17691/stm2018.10.4.0

4. Наджарьян Т.А., Костров С.А., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю. Fractional rheological models of dynamic mechanical behavior of magnetoactive elastomers in magnetic fields Polymer, 142, 316-329 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1016/j.polymer.2018.03.039

5. Наджарьян Т.А., Макарова Л.А., Казимирова Е.Г., Перов Н.С., Крамаренко Е.Ю. Influence of the geometry on magnetic interactions in a retina fixator based on a magnetoactive elastomer seal Journal of Physics: Conference Series, 994, 012002 (год публикации - 2018) https://doi.org/10.1088/1742-6596/994/1/012002

6. Алехина Ю.А., Макарова Л.А., Наджарьян Т.А., Перов Н.С., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю. Взаимодействие магнитоактивных эластомеров с системами постоянных магнитов Сборник трудов XXIII Международной конференции НОВОЕ В МАГНЕТИЗМЕ И МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ, место издания МИРЭА - РТУ Москва, 2018, с. 68-69 (год публикации - 2018)

7. Крамаренко Е.Ю., Казимирова Е.Г., Степанов Г.В., Алехина Ю.А., Наджарьян Т.А., Макарова Л.А., Перов Н.С. Silicon-Based Magnetoactive Elastomers: New Properties and New Applications XIV Andrianov Conference “Organosilicon Compounds. Synthesis, Properties, Applications”, June 3-6, 2018, Moscow, Russia, IL-4, p.27 (год публикации - 2018)

8. Наджарьян Т., Костров С., Степанов Г., Крамаренко Е. Comparative analysis of fractional rheological models for the purposes of describing the mechanical response of magnetoactive elastomers in magnetic fields «Russian Conference on Magnetohydrodynamics» Пермь 19-21 июня 2018 г., С.92 (год публикации - 2018)

9. Наджарьян Т.А., Макарова Л.А., Алёхина Ю.А., Степанов Г.В., Перов Н.С., Крамаренко Е.Ю. Моделирование поведения магнитоактивных эластомеров в магнитном поле постоянных магнитов методом конечных элементов Сборник трудов XXIII Международной конференции НОВОЕ В МАГНЕТИЗМЕ И МАГНИТНЫХ МАТЕРИАЛАХ, место издания МИРЭА - РТУ Москва, 2018, - (год публикации - 2018)

10. Степанов Г.В., Наджарьян Т.А., Макарова Л.А., Алёхина Ю.А., Перов Н.С., Казимирова Е.Г., Крамаренко Е.Ю. Highly sensitive magnetoactive elastomers: from synthesis to physical properties and applications Кластер конференций 2018, Суздаль, Россия, 1-6 июля 2018, 14 (год публикации - 2018)

11. Казимирова Е.Г., Ширяев В.В., Лыскин П.В., Степанов Г.В., Крамаренко Е.Ю. Цанговый инжектор для введения эластичных интраокулярных имплантатов -, 2018118370/14(028676) (год публикации - )


Возможность практического использования результатов
По результатам проекта разработанные образцы магнитоактивного медицинского изделия — двухкомпонентного магнитоактивного фиксатора сетчатки глаза — могут быть включены в сертификационные исследования с целью последующего внедрения в клиническую практику в качестве новой медицинской технологии для лечения осложненных отслоек сетчатки глаза. Актуальность проблемы лечения тяжёлых отслоек сетчатки обусловлена тем, что без хирургического лечения, направленного на реконструкцию нормального анатомического положения сетчатки, это заболевание приводит к слепоте практически в 100% случаев. Среди страдающих отслойкой сетчатки более 80% составляют люди трудоспособного возраста. Снижая зрение, отслойки сетчатки не только резко снижают качество жизни пациентов, но и чаще всего лишают их возможности работать по профессии, что делает лечение этого заболевания не только актуальной проблемой реконструктивной офтальмохирургии, но также и актуальной социальной проблемой. Применение разработанных приспособлений из нового материала создает условия для восстановления остроты зрения у тех пациентов, которые без использования приспособления заведомо переходили бы в категорию слабовидящих. Таким образом, результаты проекта вносят существенный вклад в решение не только проблем клинической хирургии, но и социальной проблемы, связанной с реабилитацией слабовидящих пациентов, что создает условия для социального развития Российской Федерации.