Studio modellistico e sperimentale di dispositivi impiantabili a rilascio di farmaco

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(1)Capitolo 1. Scopo della tesi. CAPITOLO. 1. 1.. Scopo della tesi. Nel campo biomedico va sempre più diffondendosi l’uso di software di calcolo per lo studio del comportamento di impianti e dispositivi utilizzati in campo clinico. L’uso di metodi computazionali, infatti, permette di prevedere, in maniera abbastanza precisa e con bassi costi, tutti i fenomeni che si verificano nell’applicazione e nell’utilizzo di tali dispositivi. In particolare, il presente lavoro di tesi si è basato sullo studio computazionale agli elementi finiti di dispositivi endovascolari impiantabili a rilascio di farmaco (Drug Eluting Stents). Tali dispositivi sono delle strutture metalliche rivestite mediante un deposito di film polimerico caricato con un farmaco opportuno. Uno studio computazionale di un problema di questo tipo permette di investigare le tensioni e le deformazioni che subiscono lo stent, il rivestimento polimerico e le pareti vasali durante l’applicazione del dispositivo. L’utilizzo di analisi agli elementi finiti ha come grande vantaggio la possibilità di prevedere nel dettaglio tutti i fenomeni che avvengono durante l’applicazione dello stent e quindi di ridurre i tempi ed i costi di sviluppo della progettazione di nuove geometrie o possibili varianti migliorative alla struttura del dispositivo. Mediante l’uso dell’analisi computazionale, infatti, è possibile testare varie soluzioni ed effettuare dei confronti tra le possibilità investigate, riducendo così il numero di prototipi da realizzare per la sperimentazione pratica e quindi i costi di produzione e di ricerca. Le analisi agli elementi finiti constano di varie fasi tra cui l’approvvigionamento dei dati e l’interpretazione dei risultati ottenuti. Anche se queste fasi non sono parte integrante dell’analisi 1.

(2) Capitolo 1. Scopo della tesi. computazionale vera e propria, esse rappresentano dei punti importanti per fare in modo che l’analisi computazionale non rimanga esclusivamente fine a se stessa. Il seguente schema illustra le tipiche fasi di una analisi computazionale agli elementi finiti (FEA, Finite Element Analysis): Modellazione solida della geometria da analizzare. Preprocessamento (definizione in ambiente FEA delle caratteristiche dei materiali, degli elementi e dei modelli che meglio approssimano il problema reale). Approvvigionamento dei dati necessari relativi ai materiali. Revisione delle caratteristiche del dispositivo. Soluzione del problema con il risolutore FEA. Postprocessamento (analisi dei dati ottenuti e loro interpretazione). Revisione delle scelte dei materiali. Lo schema generale sopra riportato è in grado di descrivere anche il presente lavoro, svolto mediante l’ausilio del codice di calcolo agli elementi finiti Ansys WorkBench 9.0. Prima di iniziare la fase di simulazione, si rende necessario l’approvvigionamento di dati relativi alle caratteristiche dei materiali ed alla geometria dell’oggetto dell’analisi. L’approvvigionamento dei dati relativi alle caratteristiche dei materiali dipende dal tipo di analisi da condurre. Ansys è un risolutore in grado di svolgere analisi multifisiche, ossia analisi che coinvolgono diversi tipi di fenomeni fisici. Nel presente lavoro di tesi lo scopo è quello di indagare il comportamento termomeccanico del dispositivo impiantabile ed in particolare del rivestimento polimerico, quindi per questo motivo i dati relativi ai materiali che è stato necessario reperire sono le caratteristiche meccaniche (moduli elastici, moduli di Poisson, curve σ − ε , modelli di incrudimento, modelli di plasticità) e termiche (coefficiente di dilatazione termica) dei materiali. Per quanto riguarda i dati geometrici degli oggetti coinvolti nella simulazione, le geometrie interessate dall’analisi agli elementi finiti sono di vario genere. La modellazione solida delle geometrie da analizzare è effettuata mediante l’utilizzo di un software specifico in grado di modellare degli oggetti 3D (Pro/ENGINEER WildFire 2.0). In questa fase, è stata ricostruita accuratamente la geometria di un Carbostent® (Sorin Biomedica), la geometria di una placca aterosclerotica e di un vaso arterioso. In seguito, tali geometrie sono state esportate in un formato di interscambio universale (.igs) per poterle introdurre nel risolutore agli elementi finiti. I dati relativi ai materiali utilizzati per la manifattura dello stent, del rivestimento ed i dati relativi ai materiali biologici di cui sono costituite le pareti arteriose e la placca aterosclerotica sono stati reperiti da letteratura.. 2.

(3) Capitolo 1. Scopo della tesi. La fase di preprocessamento, la quale è la prima delle fasi che propriamente costituiscono l’analisi computazionale vera e propria, è sicuramente quella più delicata tra tutte in quanto è la fase in cui si fanno delle ipotesi e delle scelte che condizionano i risultati che saranno ottenuti in fase di soluzione. Il preprocessamento consta di varie fasi, tutte strettamente concatenate tra di loro. Tali fasi sono: Scelta degli elementi da utilizzare per la discretizzazione della geometria da analizzare con l’analisi agli elementi finiti. La scelta deve essere fatta in base al tipo di geometria ed alla conoscenza del comportamento che il corpo reale presenta. Per questo motivo per la discretizzazione delle geometrie studiate nel presente lavoro sono stati scelti elementi di tipo brick, ossia 3D, in grado di supportare grandi deformazioni e plasticità, come richiesto in questo caso. Definizione delle caratteristiche degli elementi mediante l’introduzione di real constants che descrivono soprattutto le caratteristiche geometriche delle sezioni (dimensioni, spessori) e le caratteristiche statiche (momenti di inerzia) che da esse derivano. Introduzione dei dati relativi ai materiali, tenendo conto della possibilità del verificarsi di fenomeni non lineari dal punto di vista geometrico (grandi spostamenti) o costitutivi (plasticità). Imposizione di vincoli e carichi che rispecchino in maniera più precisa possibile la situazione reale a cui il corpo è sottoposto. L’identificazione dei vincoli in questo caso è una schematizzazione in quanto il modello studiato è solo una porzione limitata del sistema reale. In questa fase, quindi, vengono introdotte delle approssimazioni che però sono abbastanza ragionevoli e non compromettono i risultati ottenuti. La fase di soluzione è completamente automatica e non necessita di interventi esterni da parte dell’operatore. Essa è stata effettuata con il risolutore agli elementi finiti Ansys 9.0 in ambiente Windows. La fase di postprocessamento consiste nella acquisizione e visualizzazione dei dati di output relativi all’analisi agli elementi finiti. Tutti i dati di output vengono esportati in formato di testo e poi analizzati. Le fasi di revisione della geometria del dispositivo e dei materiali utilizzati riportati nello schema non fanno parte del presente lavoro e pertanto non sono state affrontate. Esse sono state comunque riportate nello schema per giustificare lo scopo ultimo di questo genere di analisi. Contemporaneamente al lavoro appena descritto è stata svolta una indagine sperimentale (caratterizzazione meccanica a compressione e trazione dei rivestimenti polimerici) per la verifica e l'integrazione dei dati computazionali ottenuti dall’analisi FEM.. 3.

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