LABORATORY OF BIOLOGICAL STRUCTURE MECHANICS

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6Proposta di Tesi su argomenti di Biomeccanica che richiedono una conoscenza approfondita di materiali non solo biovompatibili, ma soprattutto funzionali per la progettazione di un dispositivo biomedico

TITOLI DI TESI DI LAUREA PROPOSTE AGLI STUDENTI-23 GIUGNO 2009Caratteristiche generaliProgettazione di dispositivi per applicazioni biomediche terapeutiche per la cui funzionalità

la conoscenza approfondita di alcuni materiali e l’eventuale progettazione di nuovi svolgono un ruolo in molti casi fondamentali, in altri migliorativo delle funzionalità del dispositivo rispetto a quelli disponibili e/ reperibili sul mercato.

• Simulazione numerica della fluidodinamica in stent biforcati• Modelli di circolazione sanguigna in presenza di correzioni chirurgiche per il

trattamento di patologie cardiache congenite• Valutazione e ottimizzazione sperimentale e computazionale di un dispositivo

microfluidico per lo studio della chemotassi leucocitaria• Simulazione del processo di micro-indentazione dinamica di un tessuto

cartilagineo• Studio teorico-sperimentale di sistemi per infusione di farmaci in pazienti

pediatrici e neonatali. • Simulazione del processo di crescita di un aneurisma cerebrale.• Studio dell’inserimento di cemento per ossa all’interno dell’osso spongioso per il

trattamento dell’osteoporosi • Generazione e calibrazione di un modello di crescita tessutale in bioreattore• Caratterizzazione biomeccanica di cornee porcine tramite analisi numerica e

sperimentale• Progettazione di un set-up sperimentale per la misura della permeabilità idraulica

di tessuti caratterizzati da porosità di dimensione nanometrica

7Functionally Graded Biomaterials (BIO-FGMs) as bestbiomimetic materials for articulating surfaces

Goals:

Increasing the resistance to wear of the metallic devices now in commerce;

Improving the structural reliability of the ceramic devices.

How these goals can be achieved-Materials:By implementing the concept of gradation of Biomaterials FGM;at LaBS 3 research lines Ceramic/ceramic compositesHard coatings FGMMetal/ceramic composites.

Models and manufaturing technologies-Methods:Determination of material properties in relation to manufacturing techniques:Spark plasma sintering (metal/ceramic composite)-Materials Eng.Dept. in Trento Un.Tape casting o slip-casting (ceramic/ceramic composites)-ibidemPulsar laser deposition (hard coatings) Nuclear Eng.Dept in Milano-PolitecnicoMagnetron spattering (hard coatings) Materials and Indudtrial Chemistry Dept-ibidemMechanical characterization of materials by means of mechanical tests(*) and numerical simulations(*) Micro and macro characterization

8Temi di ricerche finanziate o proposte per esserlo

-Magnetostrictive technology in dynamic probing micro-devices for biomedical applications (in collaborazione con il Prof. Cavallotti)

-Design of micro-fluidic systems to integrate on micro-devices for pharma tests oriented to optimize therapies of ostheoporosis

(in collaborazione con IRST, Trento)-Magnesium biodegradable alloys for biomedical applications (in collaboration with IRST, Trento, Metallurgical groups of Un. Trento

and PoliMi)-Design of a Micro-pump to supply insuline to diabetic patients, real time,

depending on monitoring current glucose concentration by means of a micro-sensor and by a computational model elaborating these monitored data to activate the micro-pump in a optimized way (in collaboration with Bio-Mems/Nano-Mems group of the Dept. of Structural Engineering, PoliMi)

-Plenary lecture at ATEMA Symp. In Montreal, July 6-10:CHANCES OF INNOVATIVE PERFORMANCES

OF MICRO/NANO-STRUCTURED COMPOSITES GIVEN BY INVESTIGATING THEIR MECHANICAL PROPERTIES , R. Contro et alii

-Key note lecture at ICMAT Congr. In Singapore, June 28-July 3: Characterization of FGMs through micro-indentation (formerlydeveloped

at MIT by PhD student, provided with a Progetto Rocca scholarship)

9Suggestions from famous research organizations:successful combination of material with innovative devices as practical contribution to engineerized materials

From MRS fall meeting, Boston, Dec. 2008-performance and reliability of semiconductor devices-rare earth doping of advanced materials in photonic applications-materials and technology for 3-D intehration-Physics and technology of organic semiconductor devices-photovoltaic materials and manufacturing issues-Scientific basis for nuclear waste management-Materials for future fusion and fission technology-solid state ionics-advanced intermetallic-based alloys for extreme environment and energy

applications-Materials and devices for smart systems (active prostheses; dumping

devices)-polymer-based smart materials (cerebral stents) -microelectromechanical systems-materials and devices (biosensors,

microdevices… -nanotubes, nanowires, nanobelts and nanocoils micropump>see later

on)

10…similar suggestion from Icmat 2009

some titles of Symposia into which ICMAT 2009 are organized:

-Advanced Biomaterials and Regenerative Medicine

-Nanomaterials for Bioimaging and Biosensing

-Advanced Delivery of Therapeutics: New challenges for Materials

-Oxide Thin Films (Ceramics)

-Nanostructured Magnetic Materials and their Applications

-Nanostructured Materials for Electrochemical Energy Systems (Lithium batteries and Fuell cells)

-Carbon Nanotubes and Carbon Rich Materials

-Nano Patterning and Surface Characterization

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Simulazione numerica della fluidodinamica in stent biforcatiAttività computazionale per la messa a punto di modelli CFD della fluidodinamica locale in presenza di stent espansi in biforcazioni vascolari. Le geometrie degli stent saranno ricavate da immagini di microTAC oppure da precedenti simulazioni FEA dell’espansione degli stent.

Disponibilità: da novembre 2009. Referenti: Gabriele Dubini e Francesco Migliavacca

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Modelli di circolazione sanguigna in presenza di correzioni chirurgiche per il trattamento di patologie cardiache congenite

Competenze richieste: buona capacità di programmazione e utilizzo di codici commerciali CFD

Disponibilità: da ottobre 2009. Referenti: Giancarlo Pennati, Francesco Migliavacca e Gabriele Dubini

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Valutazione e ottimizzazione sperimentale e computazionale di un dispositivo microfluidico per lo studio della chemotassi leucocitariaAttività sperimentale e computazionale per la messa in opera e la valutazione di un dispositivo microfluidico esistente, progettato per lo studio del comportamento chemotattico leucocitario, in diverse condizioni di shear-stress agente sulla superficie cellulare. lo studio di questo fenomeno è di assoluto interesse per lo studio dei meccanismi immunitari che provocano e regolano diverse patologie legate all'infiammazione cronica.Alcune delle attività proposte (da definirsi in corso d'opera): caratterizzazione sperimentale fluidodinamica del dispositivo (possibilità di utilizzo del microPIV), valutazione di diverse soluzioni tecnologiche legate al set up sperimentale, modellistica CFD per la verifica e l'ottimizzazione delle condizioni di flusso, di riempimento e di test del dispositivo).

Si richiede disponibilità da luglio 2009 - a tempo pieno da settembre - ottobre 2009. Referenti: Elena Bianchi, Katia Laganà, Gabriele Dubini

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Simulazione del processo di micro-indentazione dinamica di un tessuto cartilagineoSi tratta di una simulazione di microindentazione con carico ciclico in cui sono assegnate ampiezza e frequenza di oscillazione del carico di indentazione sovrapposto ad uno stato di precarico costante.Il tessuto cartilagineo dovrà essere modellato in regime di grandi deformazioni con legame costitutivo isotropo e anisotropo viscoelastico.Lo scopo della simulazione sarà la determinazione del relazione tra la risposta tempo dipendente del tessuto (in funzione di ampiezza e sfasamento della risposta) e frequenza/ampiezza di applicazione del carico al variare dei parametri viscoelastici del tessuto.

Referente: Pasquale Vena

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Studio teorico-sperimentale di sistemi per infusione di farmaci in pazienti pediatrici e neonatali.

Assicurare la corretta somministrazione di farmaci è estremamente importante per garantire la richiesta risposta terapeutica. I sistemi di infusione sono normalmente in grado di somministrare contemporaneamente più farmaci e sono quindi costituiti da un certo numero di cateteri alimentati da opportune pompe (peristaltiche o a siringa) che terminano in un singolo elemento che verrà poi inserito nel vaso del paziente.

Nell’ambito della tesi verranno caratterizzati sperimentalmente gli elementi coinvolti (pompe, cateteri, connettori, fluidi con farmaco) e verranno sviluppati modelli sia a parametri concentrati che a volumi finiti del sistema stesso.

Referenti: Giancarlo Pennati , Katia Laganà

L’inizio della tesi è previsto per luglio-ottobre 2009

Progetto in collaborazione con l’Ospedale di Lecco

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Simulazione del processo di crescita di un aneurisma cerebrale.Si tratta di simulazioni ad elementi finiti in cui il tessuto della parete arteriosa è simulato per mezzo di un legame costitutivo elastico non lineare anistropo. Il fenomeno della crescita viene simulato imponendo una perturbazione dello stato di sollecitazione del tessuto rispetto ad una sollecitazione assunta come fisiologica e postulando l’esistenza di un grandezza meccanica (in generale funzione dello stato di sforzo e/o di deformazione) che costituisca lo stimolo ad un processo di crescita. Tale processo è simulato per mezzo di opportuni modelli cinematici che rappresentino in modo approssimato il fenomeno di continua deposizione di fibre di collagene in configurazioni geometriche progressivamente crescenti. Lo scopo del lavoro è quello di determinare le condizioni che conducono ad una crescita stabile o instabile dell’aneurisma in funzione delle assunzioni fatte sulle funzioni di stimolo e sullo stato di sollecitazione patologica.

Referenti: Pasquale Vena e Giancarlo Pennati

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Studio dell’inserimento di cemento per ossa all’interno dell’osso spongioso per il trattamento dell’osteoporosi

Lo studio è per lo più computazionale (simulazioni a volumi finiti di perfusione degli spazi inter-trabecolari, filling di mezzi porosi con leggi omogenizzate) ma sono previste anche attività sperimentali di supporto (caratterizzazione reologica di cementi per vertebroplastica, prove di infiltrazione di cemento in vertebre bovine).

Referenti: Giancarlo Pennati, Elena Bianchi

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• titolo: Generazione e calibrazione di un modello di crescita tessutale in bioreattore

• relatore: Prof. Manuela Raimondi, Dip. Ing. Strutt., Politecnico di Milano• correlatori: Prof. Federica Boschetti, Dip. Ing. Strutt., Politecnico di Milano

• tipo di lavoro (sperimentale/computazionale): sperimentale e computazionale• descrizione: L’analisi sperimentale prevede la coltura di costrutti cellulari in un bioreattore a perfusione interstiziale. L’analisi numerica prevede la generazione di un modello multifisico di crescita tessutale.

• luogo di svolgimento: LaBS-Galeazzi, IRCCS Istituto Ortopedico Galeazzi, Milano• inizio: giugno 2009• durata: un anno• e-mail: manuela.raimondi@polimi.it

proposte di tesi

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• titolo: Caratterizzazione biomeccanica di cornee porcine tramite analisi numerica e sperimentale

• relatore: Prof. Federica Boschetti, Dip. Ing. Strutt., Politecnico di Milano• correlatori:

• tipo di lavoro (sperimentale/computazionale): sperimentale e computazionale• descrizione: L’analisi sperimentale prevede: la valutazione dell’orientamento delle fibre di collagene in cornee porcine, l’esecuzione di prove di trazione uniassiale a bassi livelli di carico, l’esecuzione di prove di trazione biassiale. L’analisi numerica prevede l’analisi dei campi di sollecitazione e deformazione delle cornee testate sperimentalmente.

• luogo di svolgimento: LaBS, Dip. Ing. Strutturale, Politecnico di Milano• inizio:• durata:• e-mail: federica.boschetti@polimi.it

proposte di tesi

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• titolo: Progettazione di un set-up sperimentale per la misura della permeabilità idraulica di tessuti caratterizzati da porosità di dimensione nanometrica • relatore: Prof. Federica Boschetti, Dip. Ing. Strutt., Politecnico di Milano• correlatori:

• tipo di lavoro (sperimentale/computazionale): sperimentale e computazionale• descrizione: La tesi consiste nella progettazione del sistema di prova più idoneo a garantire una distribuzione omogenea di deformazioni all’interno del tessuto durante la misura (questa fase richiede la modellazione numerica a elementi finiti del provino con vincoli e condizioni al contorno variabili a seconda dell’apparato di prova), progettazione di un sistema automatico di acquisizione dei dati, realizzazione e messa in opera dei sistemi progettati ed esecuzione di prove (in numero da stabilire in corso di tesi).

• luogo di svolgimento: LaBS, Dip. Ing. Strutturale, Politecnico di Milano• inizio:• durata:• e-mail: federica.boschetti@polimi.it

proposte di tesi

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• titolo: Integrazione di strumenti computazionali e sperimentali per la caratterizzazione biomeccanica della cartilagine articolare

• relatore: Prof. Federica Boschetti, Dip. Ing. Strutt., Politecnico di Milano• correlatori:

• tipo di lavoro (sperimentale/computazionale): sperimentale e computazionale• descrizione: La tesi prevede l'esecuzione di prove di indentazione sulla cartilagine e la loro interpretazione tramite modelli FEM poro-visco-elastici.

• luogo di svolgimento: LaBS, Dip. Ing. Strutturale, Politecnico di Milano• inizio:• durata:• e-mail: federica.boschetti@polimi.it

proposte di tesi