“Studio meccanico dell’intestino tenue e crasso mediante un approccio sperimentale e computazionale"

This thesis aimed to experimentally and computationally characterize the mechanical behavior of human intestinal tissues, with particular focus on ileum, colon, and colon with taenia samples. The study of intestinal biomechanical properties is relevant to improving the understanding of the response of gastrointestinal soft tissues under different loading conditions and to the subsequent development of numerical models capable of reproducing their mechanical behavior. The analyzed samples were obtained from portions of human intestine collected from patients undergoing surgery and were tested at the Laboratory of Mechanics of Biological Materials of the University of Padua. The experimental campaign included membrane bending, tensile, compression, and insufflation tests. Membrane bending tests represented the main focus of the experimental analysis, enabling comparison among the different tissue origins through force–displacement curves, stiffness parameters, peak force values, and percentage energy loss. Tensile and compression tests were instead used to investigate additional aspects of the tissue mechanical response and to provide data for constitutive parameter identification. The experimental data were processed using MATLAB, and representative parameters were obtained, including initial and linear stiffness, elastic moduli, characteristic stress and strain values, toughness, relaxation percentages, energy loss, and compliance. The results highlighted the nonlinear and viscoelastic behavior of the analyzed tissues, with differences associated with anatomical origin and loading mode. In particular, membrane bending tests revealed different responses among ileum, colon, and colon with taenia in terms of both stiffness and energy dissipation. The experimental data were also used to develop finite element computational models of the membrane bending and insufflation tests using Abaqus/CAE 2025. Numerical modeling made it possible to compare the simulated response with the experimental one and to assess the ability of the models to reproduce the mechanical behavior of intestinal tissues. Overall, this work provides an integrated mechanical characterization of human intestinal tissues and establishes an experimental and numerical basis for future developments in the biomechanical modeling of the gastrointestinal tract.

Il presente lavoro di tesi ha avuto come obiettivo la caratterizzazione sperimentale e computazionale del comportamento meccanico di tessuti intestinali umani, con particolare attenzione a campioni di ileo, colon e colon con tenia. Lo studio delle proprietà biomeccaniche dell’intestino risulta di interesse per una migliore comprensione della risposta dei tessuti molli gastrointestinali in diverse condizioni di carico e per la successiva definizione di modelli numerici in grado di riprodurne il comportamento meccanico. I campioni analizzati sono stati ottenuti da porzioni di intestino umano provenienti da pazienti sottoposti a intervento chirurgico e sono stati testati presso il Laboratorio di Meccanica dei Materiali Biologici dell’Università di Padova. Le prove sperimentali hanno incluso test di flessione membranale, trazione, compressione e insufflazione. Le prove di flessione membranale hanno rappresentato il nucleo principale dell’analisi sperimentale, consentendo il confronto tra le diverse origini tissutali mediante curve forza–spostamento, parametri di rigidezza, picchi di forza ed energia persa percentuale. Le prove di trazione e compressione sono state invece utilizzate per descrivere ulteriori aspetti della risposta meccanica del tessuto e per fornire dati utili all’identificazione dei parametri costitutivi. I dati sperimentali sono stati elaborati mediante Matlab, ricavando parametri rappresentativi quali rigidezza iniziale e lineare, moduli elastici, tensioni e deformazioni caratteristiche, tenacità, percentuali di rilassamento, energia persa e compliance. I risultati hanno evidenziato un comportamento non lineare e viscoelastico dei tessuti analizzati, con differenze legate all’origine anatomica e alla modalità di sollecitazione. In particolare, nelle prove di flessione membranale è stata osservata una diversa risposta tra ileo, colon e colon con tenia, sia in termini di rigidezza sia di dissipazione energetica. I dati sperimentali ottenuti sono stati inoltre impiegati per lo sviluppo di modelli computazionali agli elementi finiti, realizzati mediante Abaqus/CAE 2025, relativi alle prove di flessione membranale e insufflazione. La modellazione numerica ha permesso di confrontare la risposta simulata con quella sperimentale e di valutare la capacità del modello di riprodurre il comportamento meccanico dei tessuti intestinali. Nel complesso, il lavoro svolto fornisce una caratterizzazione meccanica integrata dei tessuti intestinali umani e costituisce una base sperimentale e numerica utile per futuri sviluppi nella modellazione biomeccanica del tratto gastrointestinale.