Studio di fenomeni di trasporto di farmaco mediante analogia termica con uso degli elementi finiti
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APITOLO 1
1.1 SCOPO DELLA TESI
Lo scopo del presente lavoro di tesi è la realizzazione di un modello computazionale che permetta di indagare e descrivere la diffusione nel tempo e nello spazio di un principio attivo rilasciato dispositivi endovascolari medicati (drug eluting stent), attraverso i tessuti biologici con cui il dispositivo è posto a contatto in seguito alla sua applicazione.
Lo studio riportato nel seguente lavoro si configura pertanto come l’analisi dei fenomeni di trasporto di massa.
Nel seguito il problema sarà esaminato utilizzando l’analogia tra il trasporto di massa e quello di calore, al fine di valutare il rilascio del principio attivo del rivestimento polimerico, verso placca aterosclerotica e parete vasale.
I risultati che si otterranno, caratteristici quindi di un trasferimento termico, verranno convertiti in grandezze tipiche di un trasporto di massa sulla base di una analogia fra i due fenomeni.
Per la costruzione dei modelli CAD di vaso sanguigno, placca, stent e rivestimento, verrà usato un software di modellazione parametrico (Pro-Engineer), mentre per lo studio del fenomeno di rilascio del farmaco si utilizzerà un software agli elementi finiti (Ansys WB).
Nello specifico verranno realizzati i modelli di quattro tipi di stent (Multi-link Mini Vision Stent, Palmaz Stent, Cypher Stent, Janus Carbostent) e di tre diversi rivestimenti polimerici.
Verrà effettuata un’analisi di tipo meccanico per l’ottenimento di una geometria deformata dello stent nel vaso, e, in seguito, a partire da tale geometria, sarà svolta l’analisi termica per la simulazione della diffusione del farmaco, che interesserà il periodo immediatamente successivo all’applicazione del dispositivo e fino a 28 giorni
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dopo: entrambi i tipi di analisi, verranno condotte su diverse combinazioni di rivestimento-stent, e saranno analizzati, inoltre, tre differenti caricamenti iniziali di farmaco.
Al termine dell’intera analisi, i risultati verranno confrontati con quelli derivanti da esami sperimentali, condotti nei laboratori del Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’università di Pisa, al fine di valutare l’effettiva coerenza degli stessi e confermare, quindi, la validità del modello.
1.2 Struttura dell’elaborato
L’elaborato di tesi si sviluppa in cinque capitoli, quattro oltre al presente, che ha il solo scopo di presentare gli obiettivi e la struttura dell’elaborato:
Nel capitolo secondo, verrà data una panoramica generale sia sulle patologie vascolari sia sugli stent coronarici soffermandosi sulle loro peculiarità e sui loro pregi e puntualizzando le diverse classi di tali apparecchiature biomedicali esistenti; il capitolo presenterà poi in dettaglio alcuni degli stent commerciali più noti e ancora più in particolare evidenzierà quali siano le problematiche correlate alla classe degli stent a rilascio di farmaco.
Il capitolo terzo è dedicato ai materiali e ai metodi adottati durante il lavoro che ha portato alla realizzazione del modello finale agli elementi finiti.
Nella prima parte del capitolo, dedicato quindi ai materiali verranno presentati i quattro stent presi in esame, in particolare dal punto di vista della geometria e dei materiali di cui sono costituiti; quindi seguirà una descrizione dei tipi di rivestimento polimerico adottati per lo svolgimento dell’indagine, e verrà fatto cenno sulle tre diverse concentrazioni di farmaco caricato nei suddetti rivestimenti.
Il capitolo presenterà poi i software utilizzati, ovvero quello per la realizzazione dei modelli e quello agli elementi finiti; in particolare sarà offerta
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una panoramica sul metodo degli elementi finiti in generale, per evidenziarne pregi e potenzialità e per giustificarne la scelta, quindi una introduzione più approfondita sul software stesso, ovvero ANSYS WB. 12.0.
Nella sezione relativa ai metodi, invece, si delineeranno gli step seguiti nella realizzazione dei modelli geometrici e nella loro caratterizzazione meccanica; quindi verrà esposta la metodologia di trasformazione del modello geometrico in modello agli elementi finiti e saranno chiarite le semplificazioni che sono state assunte per la realizzazione dell’analisi meccanica per la simulazione della dislocazione dello stent.
Quindi, verranno esposte le fasi e le considerazioni fatte per l’impostazione della simulazione termica, a partire da questa nuova geometria deformata. Il penultimo capitolo sarà diviso in due parti: la prima dedicata alla
presentazione oggettiva dei risultati ottenuti per l’espansione dello stent, quindi per quello che riguarda l’analisi meccanica condotta sulle diverse combinazioni stent-rivestimento, e la seconda dedicata all’esposizione dei risultati delle diverse simulazioni termiche condotte. In entrambe le sezioni, all’esposizione segue un commento esaustivo sui risultati stessi, per evidenziare i punti più interessanti e per fornire sulla base degli stessi un quadro d’insieme sul risultato ottenuto in generale con lo svolgimento del progetto di tesi stesso.
L’ultimo capitolo, infine, presenterà le conclusioni tratte dall’intero percorso di lavoro svolto. Verranno evidenziati gli obiettivi raggiunti, e si evidenzieranno i pregi del modello realizzato, avvalendosi di qualche risultato saliente da questo punto di vista; inoltre sarà sottolineata la notevole versatilità del modello realizzato, dato che permetterà mediante il semplice cambio di geometria e dei relativi parametri di poter esaminare il fenomeno di interesse per altre combinazioni di stent, rivestimenti polimerici e caricamenti di farmaci.
