Numerical analysis and experimental mechanical characterisation of 3D-printed phantom tracheas

Recent advances in additive manufacturing (AM) technologies have significantly expanded the potentialities and applications of phantom organs, which are artificial replicas of human organs serving various purposes, including surgical training, medical device testing, and preoperative planning. Concurrently, the finite element method (FEM) has become a fundamental tool in various medical fields for the simulation and validation of structures under physiological conditions. However, when it comes to human tracheas, there is still a lack of biomimetic phantoms capable of properly mimicking the structure and behaviour of the real organ and also of a standard approach for their mechanical validation, in combination with accurate numerical models. This thesis is part of a project, developed in collaboration with the research center Nemolab. The aim of the project is to develop a 3D-printed biomimetic trachea model and, propose a combined numerical and experimental approach for validating its mechanical behaviour. Specifically, in this thesis, four FEM models of tracheas were created, two simplified, and two whose shape properly resembles that of the real organ, each model was analysed using different material combinations, specifically TPU70 and TPU80, and two thickness conditions, i.e. thick and thin. Loads and boundary conditions were employed to simulate those encountered by the real organ. Physical counterparts of each FEM model were produced using 3D printing and then subjected to experimental characterisation. A dedicated support was created to connect the 3D-printed samples to a pulmonary ventilator. The samples' displacement was measured using a mechanical comparator and a 2D/3D laser profile sensor under ventilation conditions The results of the FE analysis highlighted how the models are consistent within their domain. This consistency has also been confirmed by comparing them with data available in the literature and related to the real organ, highlighting a correlation between the numerical model results and the behaviour of an in vivo trachea. The models have been validated through the experimental characterisation, demonstrating the correctness of the numerical and physical models and the effectiveness of the experimental approach developed to validate them.

I recenti progressi nelle tecnologie di produzione additiva hanno ampliato in modo significativo le potenzialità e le applicazioni dei modelli anatomici, i quali rappresentano repliche artificiali di organi umani finalizzate a molteplici scopi, tra i quali la formazione chirurgica, la verifica dei dispositivi medicali e la pianificazione preoperatoria. Allo stesso modo, il metodo degli elementi finiti (FEM) è diventato uno strumento fondamentale in vari campi medici per la simulazione e la validazione di strutture in condizioni fisiologiche. Tuttavia, quando si tratta di trachee umane, risultano ancora mancanti dei modelli anatomici biomimetici in grado di riprodurre in modo accurato la struttura e il comportamento dell’organo reale, nonché un approccio standard per la loro validazione meccanica in combinazione con modelli numerici accurati. Il presente lavoro di tesi è parte di un progetto sviluppato in collaborazione con il centro di ricerca Nemolab. L’obiettivo del progetto è quello di sviluppare un modello di trachea biomimetico stampato in 3D e proporre un approccio combinato numerico e sperimentale per validarne il comportamento meccanico. In particolare, durante tale lavoro di tesi sono stati sviluppati quattro modelli FEM di trachea, due semplificati e due la cui geometria riproduce fedelmente quella dell’organo reale. Ogni modello è stato analizzato utilizzando diverse combinazioni di materiali, quali TPU70 e TPU80, e due condizioni di spessore, definite, rispettivamente, spessa e sottile. Sono stati applicati carichi e condizioni al contorno che simulano quelli a cui una trachea reale è soggetta. Le controparti fisiche di ciascun modello FEM sono state prodotte utilizzando la stampa 3D e sottoposte ad una caratterizzazione sperimentale. Tramite un apposito supporto i campioni stampati sono stati collegati ad un ventilatore polmonare. Un comparatore meccanico e un profilometro laser 2D/3D, sono stati utilizzati per misurare gli spostamenti dei campioni in fase di ventilazione. I risultati dell’analisi numerica hanno evidenziato come i modelli creati siano coerenti all’interno del loro dominio. Tale coerenza è stata confermata anche tramite il confronto dei dati numerici con quelli disponibili in letteratura e relativi all’organo reale, evidenziando una correlazione tra i risultati dei modelli numerici e il comportamento di una trachea in vivo. I modelli sono stati validati attraverso la caratterizzazione sperimentale, dimostrando la correttezza dei modelli numerici e fisici sviluppati e l'efficacia dell'approccio sperimentale sviluppato per validarli.