A study on the accelerated aging factor of polymeric materials

This Thesis work is made in collaboration with the R&D Department of LivaNova, a global medical device company that creates cardiopulmonary and neuromodulation devices to improve the lives of patients around the world. The project aims to evaluate the mechanical behavior of polymeric materials typically used in the biomedical sector with respect to aging, considering two main parameters: aging time and aging temperature. Thus, defined time and temperature as the two parameters that characterize aging, temperatures higher than the room temperature are implemented by means of industrial ovens and are used to simulate and study the effects of accelerated aging. A secondary aim of this study is to verify the applicability of an adjusted aging factor, called Q10, which is unique to each material, and expresses a multiplying factor introduced to simulate and predict the real-time aging of a specific material when it is stored at higher temperatures than the typical environment. The polymers most frequently used for the production of medical devices, in particular for extracorporeal circulation circuits are: polycarbonate (PC), polypropylene (PP), polyethylene (PE) and polyurethane (PU) for oxygenators, Extracorporeal Membrane Oxygenation (ECMO) and other devices for cardiopulmonary bypass (CPB); whereas the components of PTS (Perfusion Tubing Systems) are entrusted to polyvinyl chloride (PVC) and silicone rubbers (SiR). In addition, even Delrin polyoxymethylene (POM) and polyisoprene (PIP) are used for some applications. During this project we focused on the study of five of these materials: PC, PVC, PIP, SiR and POM. The characterization of these materials includes the evaluation of their mechanical properties, such as the yield stress and ultimate tensile properties. In this way, we want to evaluate the resistance to mechanical stresses of polymers, when long-term exposed to various levels of thermal loads (in terms of time and temperature), with the purpose to estimate the degradation trend and the shelf life of materials more efficiently. In conclusion, starting from the analysis of the raw data curves, mechanical properties were extrapolated to identify (where possible) a representative Q10 factor for each material.

Questo lavoro di Tesi è stato realizzato in collaborazione con il Dipartimento di Ricerca e Sviluppo di LivaNova, un’azienda multinazionale che opera nel settore dei dispositivi medici, in particolare crea dispositivi cardiopolmonari e di neuromodulazione per migliorare la vita dei pazienti in tutto il mondo. Il progetto si propone di valutare il comportamento meccanico dei materiali polimerici, tipicamente utilizzati nel settore biomedicale, rispetto all’invecchiamento, considerando due principali parametri: il tempo di invecchiamento e la temperatura di invecchiamento. Definiti, quindi, tempo e temperatura come i due parametri che caratterizzano l’invecchiamento, le temperature superiori a quella ambiente vengono implementate per mezzo di forni industriali, e sono utilizzate per simulare e studiare gli effetti di invecchiamento in maniera accelerata. Un obiettivo secondario di questo studio è stato quello di verificare l’applicabilità di un parametro di invecchiamento ottimizzato, chiamato Q10, il quale è unico per ogni materiale ed esprime un fattore moltiplicativo introdotto al fine di simulare e prevedere l’invecchiamento in tempo reale di uno specifico materiale quando viene conservato a temperature più elevate rispetto all’ambiente tipico. I polimeri più frequentemente utilizzati per la produzione di dispositivi medici, in particolare per i circuiti di circolazione extracorporea sono: policarbonato (PC), polipropilene (PP), polietilene (PE) e poliuretano (PU) per quanto riguarda ossigenatori, Extracorporeal Membrane Oxygenation (ECMO) e altri dispositivi per il bypass cardiopolmonare (CPB); mentre i componenti destinati ai PTS (Perfusion Tubing Systems) sono affidati al polivinilcloruro (PVC) e alle gomme siliconiche (SiR). Inoltre, anche il poliossimetilene (POM) Delrin e il poliisoprene (PIP) sono utilizzati per alcune applicazioni. Nel corso di questo progetto ci siamo concentrati sullo studio di cinque di questi materiali: PC, PVC, PIP, SiR e POM. La caratterizzazione di quest’ultimi comprende la valutazione delle loro proprietà meccaniche, come lo sforzo di snervamento e la resistenza alla trazione. In questo modo si vuole valutare la resistenza alle sollecitazioni meccaniche dei polimeri, in caso di esposizione prolungata a vari livelli di carico termico (in termini di tempo e temperatura), con lo scopo di stimare l’andamento della degradazione e la durata di conservazione dei materiali in modo più efficiente. In conclusione, partendo dall’analisi delle curve dei dati grezzi, le proprietà meccaniche sono state estrapolate per identificare (ove possibile) un fattore Q10 rappresentativo per ogni materiale.