La piattaforma di Bioingegneria è dotata di codici numerici commerciali e sviluppati internamente che consentono di effettuare simulazioni numeriche di sistemi fisiologici complessi, supportare lo sviluppo/ottimizzazione di nuovi dispositivi medici, e la messa a punto di modelli in silico per la stratificazione clinica del rischio correlato a determinate patologie.

Questi includono codici di fluidodinamica computazionale (CFD), di dinamica strutturale computazionale (CSD) e di modellazione dell’interazione fluido-struttura (FSI).

In particolare, la piattaforma è dotata di solutori commerciali impliciti ed espliciti e di codici sviluppati internamente per la modellazione di applicazioni specifiche:

• ANSYS® Mechanical e CFD – includes: CFX, solutore implicito basato sul metodo dei volumi finiti (vertex-centered approach); Fluent, solutore implicito ed esplicito basato sul metodo dei volumi finiti (cell-centered approach); ANSYS Mechanical per analisi CSD statiche e transitorie; e un approccio di accoppiamento del sistema ANSYS per applicazioni di interazione fluido-struttura (FSI);
• LSTC LS-DYNA – solutore per CFD (flussi di fluidi comprimibili e incomprimibili); per analisi agli elementi finiti (FEA) con solutore esplicito; ed FSI con approccio di tipo immersed boundary;
• ABAQUS FEA – codice per CSD con solutori impliciti ed espliciti;
• MSC.Marc/Mentat – codice per CSD con solutore FEA implicito;
• Smoothed particle hydrodynamics (SPH) – codice con approccio incomprimibile per la modellazione Lagrangiana CFD e FSI.

ANSYS

ANSYS® Mechanical e CFD, prodotto da ANSYS Inc. (Canonsburg, Pennsylvania, USA) consente di descrivere la risposta meccanica di strutture anatomiche complesse ed il movimento di biofluidi in campo cardiovascolare, garantendo soluzioni accurate ed efficienti in tempi di calcolo accettabili.

LS-DYNA

LSTC LS-DYNA, prodotto da ANSYS Inc, offre prestazioni uniche per effettuare simulazioni realistiche di fenomeni FSI che coinvolgono l’accoppiamento di strutture non-lineari anisotrope altamente deformabili con flussi pulsatili. Ciò consente, ad esempio, l’analisi del comportamento meccanico delle valvole cardiache.

ABAQUS

Abaqus FEA offre soluzioni potenti e complete per le simulazioni numeriche di sistemi fisiologici complessi. Il pacchetto comprende un’ampia gamma di modelli di materiali, ad esempio elastomerici e iperelastici, adatti per la modellazione dei tessuti biologici molli.

MSC.Marc/Mentat

Marc/Mentat è un software di analisi nonlineare implicita, particolarmente indicato nella progettazione assistita di dispositivi cardiovascolari per applicazione transcatetere e di stent in leghe NiTil superelastiche/a memoria di forma. Permette di simulare strutture con comportamento altamente non lineare (materiali elastomerici e iperelastici).

Smoothed Particle Hydrodynamics

Il metodo smoothed particle hydrodynamics (SPH) è basato su un approccio lagrangiano, che rappresenta il fluido come un numero finito di particelle.  Dal momento che non richiede discretizzazioni del dominio, SPH può  trattare in maniera semplice ed efficace processi multifase, geometrie altamente complesse e grandi deformazioni, catturando in modo efficiente anche interfacce in rapido movimento.

L’Unità Computazionale del gruppo di Bioingegneria e Dispositivi Medici partecipa attivamente allo sviluppo di un codice SPH open source già implementato presso il Dipartimento di Ingegneria dell’Università degli Studi di Palermo.  Grazie alla versatilità del codice, Abbiamo sviluppato una serie di algoritmi per risolvere problematiche specifiche della bioingegneria, per le quali i classici approcci euleriani si dimostrano poco adeguati.

Questi includono:

• Tecniche avanzate di interazione fluido-struttura (FSI);
• Metodi di simulazione della formazione del trombo.

Simulatori Cardiaci Idromeccanici

La piattaforma di Bioingegneria dispone di due ViVitro Superpump System SP7084 (ViVitro, Victoria, BC, Canada).

Si tratta di simulatori cardiaci che permettono di riprodurre condizioni fisiologiche cardiache sistemiche o polmonari.  Uno dei due è predisposto per la valutazione idrodinamica nella regione della radice aortica e l’altro per la valutazione idrodinamica della regione mitrale.

Entrambi i dispositivi sono customizzati per migliorarne la descrizione anatomica e fisiologica, e consentono di impiantare valvole semilunari e atrio-ventricolari ex vivo, modelli di radici aortiche con lembi nativi per la valutazione di dispositivi trans-catetere, repliche anatomiche patient specific (ad es. delle auricole atriali sinistre), flussi coronarici, controllo della temperatura fisiologica, monitoraggio viscometrico continuo e telecamere ad alta velocità per l’analisi della dinamica valvolare.

I sistemi sono adattati per fornire un accesso ottico ottimale per l’accoppiamento con i sistemi PIV e per la visualizzazione/misurazione dei principali parametri di flusso associati al danno ematico.

Tali sistemi possono essere utilizzati in combinazione con i simulatori cardiaci per valutare il potenziale trombogenico ed emolitico degli impianti cardiaci, secondo le raccomandazioni della normativa internazionale ISO 5840 sugli impianti cardiovascolari di protesi valvolari cardiache.

In particolare, il fluido viene disseminato di particelle di densità globale analoga al liquido, che vengono illuminate selettivamente con un fascio laser.  Il movimento delle particelle illuminate viene acquisito mediante telecamere ad alta velocità in sequenze di istanti opportunamente selezionate, e l’analisi delle immagini tramite funzioni di correlazione permette di stimare il campo di velocità.

Il nostro sistema PIV a risoluzione temporale utilizza una telecamera ad alta velocità e un laser ad alta frequenza di emissione, che consente di misurare lo sviluppo temporale di un campo di flusso.

I nostri sistemi PIV a risoluzione di fase utilizzano una (2D) o due (PIV stereoscopico) telecamere e un laser a doppio impulso, e sono più adatti per l’analisi di flussi periodici.  Il sistema stereoscopico viene preferito quando la componente di velocità fuori piano può essere significativa, in quanto consente di ricostruire tutte e tre le componenti di velocità nel piano laser attraverso la combinazione delle coppie di immagini acquisite da ciascuna telecamera.

Nel caso di test su valvole cardiache, il monitoraggio continuo delle pressioni differenziali in tempo reale in ciascuna stazione di test consente di assicurare l’aderenza alle raccomandazioni della normativa ISO 5840, e di impostare allarmi per per l’arresto del sistema in ciascuna sezione, ove le condizioni operative non soddisfino i requisiti richiesti.

Il nostro sistema è personalizzato per massimizzare l’intercambiabilità dei campioni con i simulatori cardiaci e semplificare le valutazioni idrodinamiche intermedie, riducendo al minimo la manipolazione dei campioni.  Inoltre le sezioni sono ridisegnate per ospitare modelli di arterie elastiche, dispositivi TAVI/TAVR, valvole a lembi flessibili con e senza stent e valvole meccaniche.

Per le prove meccaniche uniassiali utilizziamo una macchina di prova universale elettromeccanica Instron® 3367 (Instron, Norwood, MA, USA) dotata di una cella di carico da 1 kN e un’ampia gamma di afferraggi pneumatici e manuali per condurre prove di trazione, compressione, piegatura, pelatura, strappo , prove di attrito e taglio.  I test possono essere effettuati in condizioni di carico quasi statico, ciclico, statico, pulsaile o alternato, tramite un di attuazione elettromeccanico.  La macchina è dotata di un bagno termostatico, che consente di effettuare i test in soluzioni biofluido-equivalenti, a temperatura corporea.

I test meccanici biassiali consentono una caratterizzazione più accurata dei tessuti molli e delle membrane polimeriche operanti in stati di stress multiassiali.  La nostra piattaforma dispone di un sistema BioTester – Biaxial Tester (Cellscale, Waterloo, Canada), equipaggiata con vari di sistemi di ancoraggio, tra cui rakes, pulegge e morsetti, e un bagno multimediale a temperatura controllata.  Gli spostamenti e le deformazioni vengono determinati a campo intero mediante correlazione digitale delle immagini.  Il sistema consente di condurre test multi-modali ciclici, semplici e di rilassamento, su tessuti biologici molli e membrane polimeriche, a varie velocità di deformazione.

La piattaforma dispone di una termocamera FLIR A700 Science Kits (Teledyne FLIR, Wilsonville, Oregon, USA) per l’analisi termoelastica delle sollecitazioni.  Questa tecnica di controllo non distruttivo permette di misurare la distribuzione delle tensioni in un componente misurandone le variazioni di temperatura quando sottoposto ad un carico oscillante.  Esiste infatti una relazione tra la variazione di temperatura e la variazione sforzo-deformazione, descritta dalla legge termoelastica.

Nel caso delle comuni leghe superelastiche/a memoria di forma utilizzate nei dispositivi protesici, come il nitinol, l’approccio consente anche di analizzare gli effetti elasto-calorici indotti dalla trasformazione di fase, offrendo uno strumento utile per migliorare la sicurezza e l’efficacia di applicazioni critiche basate su questo materiale.

Reometro

Facciamo ampio uso di sistemi di prototipazione rapida per realizzare nuovi strumenti di test, personalizzare le nostre apparecchiature, creare repliche anatomiche patient specific e produrre prototipi di dispositivi medici.  Le nostre attrezzature includono stampanti 3D a deposizione fusa (FDM) e stereolitografia (SLA).

Per la stampa FDM utilizziamo una Delta WASP 2040 Pro, Wasp, Massa Lombarda RA, Italia, che consente di stampare con alta precisione (± 50 µm) oggetti di grandi dimensioni e realizzati con una varietà di materiali, tra cui PLA, ABS, PETG e nylon .

Per la stampa SLA utilizziamo una Form 3+, Formlabs, Somerville, MA, USA, che consente una risoluzione di 25 µm e una gamma di materiali per uso generale; materiali tecnici con maggiore robustezza, resistenza chimica o resistenza al calore; materiali biocompatibili adatti alla stampa di protesi e impianti; e silicone.

Abbiamo inoltre una vasta esperienza nell’utilizzo del casting e del dip-molding di materiali polimerici, per la realizzazione di componenti funzionali e repliche anatomiche.

Nella piattaforma abbiamo a disposizione una macchina da taglio laser CO2 da 50 watt (Maitech Hobby Line CO2), progettata per la lavorazione di una gamma di materiali non metallici, tra cui acrilico, poliuretano, pelle e tessuto.

La piattaforma comprende inoltre una fornace da laboratorio, la Carbolite LHT, che consente una velocità di riscaldamento fino a 15 °C/min con uniformità di temperatura di ±2 °C e una temperatura massima di 3000°C, consentendo il trattamento termico di numerose leghe.

Per la produzione di dispositivi medici in tessuto biologico, come valvole biologiche e graft, utilizziamo una macchina da ricamo Brother VR ad ago singolo controllata da computer, che segue con alta precisione le linee di sutura impostate sul CAD.