Prove sperimentali e simulazioni ad elementi finiti per la previsione del comportamento a fatica di dispositivi medici in Ni-Ti

Nowadays, there is a growing interest in the application of shape memory alloys in the cardiovascular field, for the development of devices for mini-invasive deployments, such as self-expanding stents made of Nickel-Titanium alloys (Ni-Ti). However, such stents are prone to sudden failure due to multiple loads acting during the everyday life, making it necessary to conduct an in-depth study regarding the fatigue properties of Ni-Ti. The objective of the thesis is to illustrate the relevant choices that can influence the outcome of the fatigue analysis of Ni-Ti devices, from both a numerical and experimental point of views. The research path starts with the static and fatigue characterization of multi-wire specimens, representative of stent v-struts requiring a preliminary design phase of the experimental set-up. The analysis continues through CAD modeling and the use of finite elements (FEA) to simulate the behaviour of such specimens and representative X-struts of a prototype Ni-Ti stent subjected to cyclic loads. In this frame, it is necessary to introduce multi-axial fatigue criteria to understand the effect of local strain distribution on the overall fatigue performance. This approach allows the selection and study of specific loading conditions to efficiently design experimental in vitro tests on stents, optimising their design and defining allowable loads.

Oggigiorno, vi è un crescente interesse per l’applicazione di leghe a memoria di forma in ambito cardiovascolare, per lo sviluppo di dispositivi per interventi mininvasivi, come gli stent autoespandibili realizzati in leghe di Nichel-Titanio (Ni-Ti). Tuttavia, tali stent sono soggetti a fallimenti improvvisi, dovuti a molteplici carichi che agiscono durante la vita quotidiana. Dunque, si rende necessario effettuare uno studio approfondito riguardante le proprietà a fatica del Ni-Ti. L’obiettivo della tesi consiste nell’illustrare le scelte rilevanti che possono influenzare il risultato dell’analisi a fatica di dispositivi in Ni-Ti, da un punto di vista numerico-sperimentale. Il percorso di ricerca inizia con la caratterizzazione statica e a fatica di provini multi-filo rappresentativi di v-struts dello stent, richiedendo una fase preliminare di progettazione del set-up sperimentale. L’analisi prosegue attraverso la modellazione CAD e l’utilizzo degli elementi finiti (FEA) per simulare il comportamento di tali provini e delle X-struts rappresentative di un prototipo di stent in Ni-Ti sottoposti a carichi ciclici. In questo contesto, è necessario introdurre i criteri a fatica multi-assiali per comprendere l’effetto della distribuzione delle deformazioni locali sul comportamento complessivo a fatica. Tale approccio consente la selezione e lo studio di specifiche condizioni di carico, per pianificare in modo efficiente test sperimentali in vitro sugli stent, ottimizzandone la progettazione e definendo carichi consentiti.