LABORATORY OF BIOLOGICAL STRUCTURE MECHANICS
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Proposta di Tesi su argomenti di Biomeccanica che richiedono una
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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.
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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
Functionally Graded Biomaterials (BIO-FGMs) as best
biomimetic materials for articulating surfaces
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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
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-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)
Suggestions from famous research organizations:
successful combination of material with innovative devices as practical
contribution to engineerized materials
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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
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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 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
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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 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
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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
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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
proposte di tesi
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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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]
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: [email protected]