Computational sensitivity analysis on factors affecting stress and strain fields in Ni-Ti surrogate specimens for biomedical applications

Nickel-Titanium (Ni-Ti) stents represent an effective alternative in treating peripheral artery disease; namely, in the femoro-popliteal arteries. Fracture occurrences have been associated to the constant bending of the leg during gait and other everyday activities. Surrogate diamond-like testing specimens machined from the same source Ni-Ti tubes as the stents are used to assess the material’s fatigue properties under a stress state closely resembling that of the stent. Given the sample’s intricate geometry, FEA is necessary to obtain the amplitude and mean strains in the device, otherwise not assessable through analytical computing; however, many questions regarding the uncertainty associated to this framework remain unanswered. This thesis aims to elucidate the effect that different simulation parameters (e.g. mesh refinement, element formulation, and material constitutive model) have on the material’s macroscopic and localized mechanical response, both from the static and fatigue points of view. Using a stent geometry provided by a medical company, forty diamond-like finite element models with different combinations of the aforementioned parameters were created and tested under the same loading conditions. The force-displacement curve comparisons demonstrated that the material’s macroscopic behavior is most sensitive to element definition variation. Moreover, the constant-life diagram showed the local strain field at the sample’s critical location to increase as the mesh is refined. Finally, data extraction from element nodes or element centroid was found to be another dimension of uncertainty. It is recommended that this information be minded when comparing studies from different sources. Failure to do so could lead to an incorrect assessment of the fatigue life properties of a particular stent.

Gli stent in Nichel-Titanio (Ni-Ti) rappresentano un’alternativa efficace nel trattamento delle arteriopatie periferiche, soppratutto nell’arteria femoro-poplitea. Casi di fallimento sono stati associati alla flessione ripetuta della gamba durante il cammino e altre attivita quotidiane. Provini surrogati, aventi morfologia simile a quella delle maglie degli stent, e fabbricati dagli stessi tubi di materiale vengono utilizzati per valutare le proprietà a fatica del materiale, testato sotto uno stato di sforzo simile a quello subito dallo stent. Dato il grado di complessità della geometria, le analisi ad elementi finiti (FE) sono necessarie per ottenere le deformazioni media e alternata del dispositivo, non calcolabili analiticamente. Tuttavia, alcune domande riguardo alle incertezze associate a questa modalita di valutazione rimangono irrisolte. Questa tesi ha come obbiettivo la determinazione dell’effetto che diversi parametri del modello FE (ad esempio sensibilità della mesh, formulazione di elemento e modello costitutivo del materiale) hanno sulla risposta meccanica, statica e a fatica, del materiale a livello macroscopico e locale. Usando una geometria di stent fornita da un’azienda medicale, quaranta modelli dei provini surrogati sono stati creati secondo diverse combinazioni dei parametri già menzionati e testati sotto le stesse condizioni di carico. Le differenze fra le curve forza-deformazione hanno dimostrato che la risposta del materiale a livello macroscopico è piu sensibile alla variazione della formulazione di elemento da utilizzare. Inoltre, il diagramma a vita costante ha mostrato che le deformazioni stimate nella regione critica aumentano man mano la mesh diventa piu densa. Alla fine, l’estrazione di dati dai nodi o dai centroidi è stata un altro parametro d’incertezza. Si consiglia fare attenzione a queste informazioni nell’analisi di studi da diverse fonti, per evitare che le valutazioni delle proprietà a fatica di uno stent siano incorrette.