Approccio in silico alla progettazione di sfinteri artificiali per stomia: sviluppo dei modelli e metodologie di calcolo

This master’s thesis proposes an in silico approach to the sizing and validation of an innovative artificial sphincter for patients with a stoma. The main objective of the work is the development of a reliable model capable of describing the interaction between the sphincter device and biological tissues, in order to evaluate the functional performance of the system and its mechanical compatibility with the human colon. The thesis work is based on preliminary experimental activities conducted in the laboratory, including mechanical testing on biological tissue samples (human colon) and on thermoplastic elastomeric materials (Marfran), characterized by different levels of stiffness. The experimental data obtained were used to identify the constitutive parameters of the materials through the implementation of Ogden hyperelastic models in the MATLAB environment, allowing an accurate description of their mechanical behavior. The identified constitutive parameters were subsequently employed to develop finite element numerical models in the Abaqus environment, in which the sphincter–colon system was replicated. Through predictive simulations, it was possible to analyze the process of occlusion and subsequent reopening of the colonic lumen in response to the application of appropriate sphincteric and intraluminal pressure values. The results obtained provide useful insights for the design optimization of the device.

La presente tesi di laurea propone un approccio in silico al dimensionamento e alla validazione di uno sfintere artificiale innovativo per pazienti portatori di stomia. L’obiettivo principale del lavoro è lo sviluppo di un modello affidabile in grado di descrivere l’interazione tra il dispositivo sfinterico e i tessuti biologici, al fine di valutare le prestazioni funzionali del sistema e la sua compatibilità meccanica con il colon umano. Il lavoro di tesi si basa su attività sperimentali preliminari condotte in laboratorio, comprendenti prove meccaniche su campioni di tessuto biologico (colon umano) e su materiali elastomerici termoplastici (Marfran), caratterizzati da differenti livelli di rigidezza. I dati sperimentali ottenuti sono stati utilizzati per l’identificazione dei parametri costitutivi dei materiali mediante l’implementazione di modelli iperelastici alla Ogden in ambiente MATLAB, consentendo una descrizione accurata del loro comportamento meccanico. I parametri costitutivi ricavati sono stati successivamente impiegati per lo sviluppo di modelli numerici agli elementi finiti in ambiente Abaqus, all’interno dei quali è stato replicato il sistema sfintere-colon. Attraverso simulazioni predittive, è stato possibile analizzare il processo di occlusione e successiva riapertura del lume colico in risposta all’applicazione di adeguati valori di pressione sfinterica ed intraluminale. I risultati ottenuti forniscono indicazioni utili per l’ottimizzazione progettuale del dispositivo.