Studio computazionale e sperimentale per l'analisi statica e a fatica di stent in Nichel-Titanio

Nickel-titanium (NiTi) shape memory alloys play a key role in the biomedical field thanks to their unique superelastic and shape memory properties, which make them particularly suitable for implantable devices such as endovascular stents. However, one of the main challenges associated with the clinical use of NiTi concerns fatigue resistance, a critical factor to ensure the durability and reliability of the device when subjected to the deformation cycles induced by physiological loading. This work analyzes the behavior of NiTi with a specific focus on superelastic stents. Following a general overview of NiTi alloys and their characteristic properties, the research proceeds with the static characterization of NiTi specimens with two different geometries: the multi-wire configuration, representative of the stent’s V-struts, and the conventional geometry with closed-cell X-struts. From the comparison with computational tests, the need emerges to develop ad hoc CAD models capable of correctly reproducing the experimental behavior of the stent specimens. Consequently, a chapter is dedicated to numerical modeling and to the refinement and optimization of the mesh on the CAD models. Finally, fatigue tests, both experimental and computational, are presented, with the latter relying on the previously developed CAD models. The results comparison, together with the application of multiaxial fatigue criteria, allows the assessment of the influence of local strain distribution on the overall fatigue behavior.

Le leghe a memoria di forma a base di nichel-titanio (NiTi) rivestono un ruolo di primaria importanza nel settore biomedicale grazie alle loro peculiari proprietà di superelasticità e memoria di forma, che le rendono particolarmente adatte per applicazioni in dispositivi impiantabili come gli stent endovascolari. Una delle sfide principali associate all’impiego del NiTi in ambito clinico riguarda tuttavia la resistenza a fatica, fattore critico per garantire la durabilità e l’affidabilità del dispositivo una volta sottoposto ai cicli di deformazione indotti dal carico fisiologico. Nel presente lavoro viene analizzato il comportamento del NiTi, con particolare attenzione agli stent superelastici. Al seguito di una panoramica generale sulle leghe di NiTi e sulle loro proprietà caratteristiche, il percorso di ricerca continua con la caratterizzazione statica di provini in NiTi a due differenti geometrie: la configurazione multi-filo, rappresentativa delle V-strut dello stent, e la geometria convenzionale con X-strut a cella chiusa. In seguito, dal confronto con le simulazioni computazionali emerge la necessità di realizzare modelli CAD ad hoc, in grado di replicare correttamente il comportamento sperimentale dei provini di stent. Pertanto, un capitolo è dedicato alla modellazione numerica e all’estensione ed ottimizzazione della mesh ai modelli CAD. In conclusione, verranno presentate le prove sperimentali e computazionali a fatica, le quali sfruttano i modelli CAD precedentemente sviluppati. Seguiranno il confronto tra i risultati e l’applicazione di criteri di fatica multiassiali, utili a valutare l’effetto della distribuzione delle deformazioni locali sul comportamento complessivo a fatica.