Proposta 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 2009 Caratteristiche generali Progettazione 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

Improving the structural reliability of the ceramic devices. Functionally Graded Biomaterials (BIO-FGMs) as best biomimetic 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 composites Hard coatings FGM Metal/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)-ibidem Pulsar laser deposition (hard coatings) Nuclear Eng.Dept in Milano-Politecnico Magnetron spattering (hard coatings) Materials and Indudtrial Chemistry Dept-ibidem Mechanical characterization of materials by means of mechanical tests(*) and numerical simulations (*) Micro and macro characterization

Temi 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)

From MRS fall meeting, Boston, Dec. 2008 Suggestions 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)

…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

Simulazione numerica della fluidodinamica in stent biforcati Attività 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

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

Valutazione e ottimizzazione sperimentale e computazionale di un dispositivo microfluidico per lo studio della chemotassi leucocitaria Attività 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

Simulazione del processo di micro-indentazione dinamica di un tessuto cartilagineo Si 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

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

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

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

proposte di tesi 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 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 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 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