Development of a shape setting method for nitinol wires for cardiovascular devices prototyping: a preliminary study

Nitinol, with the chemical symbol NiTi, is a shape memory alloy used in the biomedical field. Indeed, its biocompatibility, superelasticity, and thermal shape memory behavior make this alloy particularly suitable for cardiovascular devices. To optimize the thermomechanical properties of a nitinol product and to achieve the desired shape, the material is heat-treated with a process called shape-setting. This process consists of constraining the nitinol part to a shaping fixture to impose on the nitinol component the target shape and then heating the whole nitinol-fixture complex. Nowadays, the common heating methods used to perform the shape-setting span from furnaces, to electrical currents and laser beams. The aim of this thesis is the development of a shape-setting method that permits obtaining shape-set nitinol components with mechanical properties suitable for the intended application of the material. For this purpose, it was developed a heat gun furnace able to homogeneously heat the component at 500°C, reliable, and easily implementable in a research laboratory. Indeed, instead of buying directly a furnace, it was decided to first test the potentialities and the functionalities of the developed shape-setting protocol. Consequently, to manage to determine the most suitable heating duration, a thermomechanical characterization of the wires was conducted. The final goal is the realization of mininvasive cardiovascular preliminary prototypes starting from nitinol wires, by using the developed protocol.In the initial phases, tests were made so to define the optimal setting parameter of the heat gun that guarantees the most homogeneous temperature distribution, around 500°C, on a plane of the furnace in correspondence with which the fixture-wire complex will be placed and heated. Subsequently, it was studied the influence of the heating process on the thermomechanical properties of nitinol wires with a diameter of 0,35 mm, by changing the duration of the aging treatment. Bend and free recovery tests and hysteresis tests at 37°C were made on the as-received wires and on wires heated at 500°C for 2-5-10-15-20-25-30-45-60 minutes. 30 minutes was defined as the aging time that allows obtaining a trade-off between degradation of the mechanical properties, increasing of Af, and an elastic recovery lower than 9,89 +\- 2,48% in bidimensional structures. This aging time was used to perform a tridimensional shape-setting of nitinol wires to obtain prototypes of stent mesh and interventricular anchoring system. The obtained results showed that the temperature distribution in the chamber is not homogeneous, but decreases moving towards the walls. However, there exists a 2 cm circular area in which the temperature is 512,54 +\-8°C. This area is compatible with the size of implantable cardiovascular devices, so it can be exploited to perform shape-setting of device prototypes. Af increases with the increase of the heating duration, with a value of 33,32 +\- 0,41 °C at 30 minutes of heating. The mechanical properties decrease. Upper plateau strength, lower plateau strength, and austenitic elastic modulus decrease respectively by 16%, 34%, and 28% at 30 minutes with respect to the as-received wires. No statistically significant difference resulted in the martensitic elastic modulus. The designed protocol allowed obtaining tridimensional prototypes with an elastic recovery lower than 5,77%. In conclusion, the developed protocol has demonstrated its potentiality allowing a rapid realization of both 2D and 3D preliminary cardiovascular prototypes.

Il nitinol, dal simbolo chimico NiTi, è una lega a memoria di forma molto utilizzata nel settore biomedico. Per ottimizzare le proprietà termomeccaniche di un prodotto in nitinol e imporgli la forma desiderata, il materiale subisce un trattamento termico chiamato shape-setting (termoformatura). Questo processo consiste nel riscaldare i componenti in nitinol vincolati ad un afferraggio metallico, in modo da imporre al materiale la forma desiderata. Il complesso nitinol-afferraggio viene poi riscaldato. Oggigiorno, le metodologie di riscaldamento per la termoformatura spaziano da fornaci, a corrente elettrica e raggi laser. L'obiettivo di questo lavoro di tesi è lo sviluppo di un protocollo di shape-setting che permetta l'ottenimento di componenti di nitinol termoformati con proprietà meccaniche consone all'applicazione del materiale. Per questo, è stata progettata una fornace alimentata da una pistola ad aria calda in grado di riscaldare in maniera omogenea a 500°C, affidabile e facilmente utilizzabile in un laboratorio. Non è stata acquistata una fornace, perché si è voluto testare preliminarmente il funzionamento e le potenzialità del protocollo sviluppato. Conseguentemente, è stata effettuata una caratterizzazione termomeccanica per determinare la durata ottimale del riscaldamento. L'intento ultimo è l'applicazione del protocollo sviluppato per la produzione di prototipi di dispositivi cardiovascolari mininvasivi a partire da fili di nitinol. Nelle fasi iniziali dello studio sono stati definiti i parametri di funzionamento della pistola che consentono di ottenere una distribuzione omogenea di temperatura, nell'intorno dei 500°C, su di un piano della fornace su cui verrà posizionato e riscaldato il complesso filo di nitinol-afferraggio. Successivamente, è stata studiata l'influenza del riscaldamento nella fornace sulle proprietà termomeccaniche di fili di nitinol dal diametro di 0,35 mm. Test di bend and free recovery e test d'isteresi a 37°C sono stati effettuati sui fili di nitinol ricevuti dal produttore e su fili riscaldati per 2-5-10-15-20-25-30-45-60 minuti. 30 minuti è stato il tempo di riscaldamento ottimale in quanto consente di raggiungere un compromesso tra la degradazione delle proprietà meccaniche, l'aumento della temperatura Af e un ritorno elastico minore del 9,89 +\- 2,48% in strutture bidimensionali. Questo parametro di riscaldamento è stato utilizzato in fase di termoformatura tridimensionale per ottenere strutture simili ad una maglia di uno stent e un sistema di ancoraggio interventricolare. I risultati ottenuti mostrano una distribuzione non omogenea della temperatura, la quale decresce allontanandosi verso le pareti della camera. Tuttavia, al centro, in un'area di diametro 2 cm la temperatura raggiunge valori uguali a 512,54 +\- 8°C. Quest'area ha dimensioni compatibili con quelle di dispositivi cardiovascolari impiantabili, pertanto può essere utilizzata per la realizzazione di prototipi di tali dispositivi. Af aumenta all'aumentare della durata di riscaldamento, in particolare assume il valore di 33,32 +/- 0,41 °C in seguito a un trattamento di 30 minuti. Si ha una diminuzione delle proprietà meccaniche. A seguito di un riscaldamento di 30 minuti, lo sforzo di plateau superiore, quello di plateau inferiore e il modulo elastico austenitico diminuiscono rispettivamente del 16%, 34%, e 28% rispetto a quelli dei fili non riscaldati. Non sono emerse differenze statisticamente significative per quanto riguarda il modulo elastico martensitico. Il protocollo progettato permette di ottenere prototipi tridimensionali con un ritorno elastico minore del 5,77%. In conclusione, le potenzialità del metodo di shape-setting sviluppato sono state dimostrate tramite il rapido ottenimento di prototipi preliminari di dispositivi cardiovascolari con strutture 2D e 3D.