Fatigue analysis of Nitinol cardiovascular devices

This PhD thesis has been developed at the Laboratory of Biological Structure Mechanics (LaBS) of Politecnico di Milano within the PhD program in Bioengineering. The main topic of this work is the fatigue analysis of Nitinol cardiovascular devices, carried out by a combined numerical-experimental approach. In particular the attention was posed on two anatomical regions and the relative devices implanted to treat cardiovascular pathologies, the Superficial Femoral Artery (SFA) and the aortic root: both of them are still considered critical in the clinical field as a peculiar cyclic biomechanical environment occurs both before and after stent’s implantation, leading to higher probability of cardiovascular devices fatigue failure. In this light, an approach based on experimental material characterization and set up of analytical and numerical models has been developed within this PhD thesis to provide a better understanding of the Nitinol cardiovascular devices fatigue behavior. The development of this research project has involved the fundamental contribution from several national and international collaborations. In particular, the whole activity on peripheral stents has been carried out thanks to the partners of European Project RT3S (Real Time Simulations for Safer vascular Stenting): Medtronic-Invatec (Medtronic Endovascular Therapies, Roncadelle, BS, Italy) provided Nitinol material samples as well as real prototypes of commercial stent models, on which experimental characterization (Chapter 3) and fatigue numerical analyses (Chapter 4), have been performed; University of Shieffield provided the clinical case described in Chapter 5, which image-based reconstruction and anatomical data extraction used to implement the analytical model and fatigue analyses described also in Chapter 5 was carried out by SCS Italy (Super Computing Solutions, Casalecchio di Reno, Bologna, Italy). The work on the transcatheter aortic valve has been done in collaboration with the department of Cardiovascular Engineering of the Helmholtz Institute for Applied Medical Engineering of RWTH (Aachen, Germany), where I spent 5 months following the expert indications from Dr. Maximilian Kütting and Dipl.Ing. Desiree Pott during the development of numerical fatigue analyses and experimental durability tests on a new prototype of self-expandable aortic valve (Chapter 6).

Questa tesi è stata sviluppata presso il Laboratorio di Meccanica delle strutture biologiche (Labs) del Politecnico di Milano nell'ambito del dottorato di ricerca in Bioingegneria. Il tema principale di questo lavoro è l'analisi a fatica di dispositivi cardiovascolari in Nitinol, tramite un approccio combinato numerico-sperimentale. In particolare l'attenzione è stata posta su due distretti anatomici e sui relativi dispositivi impiantati per il trattamento delle patologie cardiovascolari: l’arteria femorale superficiale (SFA) e la radice aortica. Entrambi sono ancora considerati critici dal punto di vista clinico a causa del particolare biomeccanico caratterizzato da sollecitazioni cicliche sia prima che dopo l'impianto di stent, con una maggiore probabilità di fallimento per fatica dei dispositivi cardiovascolari. In questo contesto, all'interno di questa tesi di dottorato è stato sviluppato un approccio basato sulla caratterizzazione sperimentale del materiale e su opportuni modelli numerici, al fine di fornire una migliore comprensione del comportamento a fatica di dispositivi cardiovascolari in Nitinol. Lo sviluppo di questo progetto di ricerca ha ricevuto il contributo da diverse collaborazioni nazionali ed internazionali. In particolare, l'intera attività sugli stent periferici è stata realizzata grazie alla collaborazione con partners internazionali nell’ambito del Progetto Europeo RT3S (Real Time Simulations for Safer vascular Stenting): l’azienda Medtronic-Invatec (Medtronic endovascular therapies, Roncadelle,BS, Italia) ha fornito campioni di materiale nonché prototipi reali di modelli di stent commerciali sui quali sono stati effettuati test di caratterizzazione sperimentale e analisi numeriche a fatica in differenti condizioni di utilizzo; l’Università di Shieffield ha fornito il caso clinico descritto, del quale è stata fornita la ricostruzione basata su immagini e la successiva estrazione dei parametri anatomici da SCS Italy (Super Computing Solutions, Casalecchio di Reno, Bologna, Italy). Il lavoro sulla valvola aortica percutanea è stato condotto in collaborazione con il dipartimento di Cardiovascular Engineering dell’Helmholtz Institute for Applied Medical Engineering (RWTH, Aachen, Germany), in cui sono state effettuate analisi numeriche a fatica e test sperimentali su un prototipo di valvola aortica in fase di design preliminare.