Workpackages
La FASE 1 prevede lo sviluppo di due sottofasi:
1. Acquisizione si ricaveranno informazioni in termini di immagini diagnostiche mediante tomografia assiale computerizzata (TAC) da modelli artificiali di parti del sistema osseo-scheletrico (cranio), appositamente modificati in modo da simulare l’effetto di determinate patologie traumatiche o tumorali; le immagini acquisite saranno elaborate mediante software specifico, al fine di ricostruire virtualmente la parte mancante e rendere tali informazioni disponibili alla progettazione sia della protesi che del relativo processo produttivo;
2. Caratterizzazione si individuerà il comportamento reologico in campo plastico e superplastico, nonché il limite di formabilità, utile per la modellazione numerica finalizzata sia alla progettazione della protesi che dei processi tecnologici di formatura; per valutare l’effetto del processo di produzione sulla biocompatibilità della protesi (possibile formazione di alpha case) saranno anche condotte analisi di citotossicità su parti ottenute mediante SPF e SPIF.
La FASE 2 (Progettazione), coadiuvata dall’utilizzo di software agli EF, mira a definire sia le caratteristiche geometriche (spessori, modalità di ancoraggio) delle protesi scelte come casi di studio sia i parametri di lavorazione ottimali dei processi di SPF e SPIF. In particolare, i due processi investigati saranno messi a confronto al fine di trovare la migliore alternativa in funzione della protesi da realizzare.
La FASE 3 (Realizzazione e verifica delle protesi) prettamente sperimentale, prevede prove di formatura finalizzate alla produzione delle protesi: i componenti ottenuti mediante i processi di SPF e SPIF verranno analizzati in termini di assottigliamenti e sezionati al fine di poter effettuare delle analisi mediante macro- e micro-grafie ottiche. Per validare l’intero percorso di progettazione sono inoltre previste prove mirate a verificare l’effettiva rispondenza della protesi costruita al difetto osseo creato sul modello artificiale, in termini di compatibilità morfologica e di resistenza meccanica: la protesi verrà resa solidale allo stesso simulacro osseo di partenza e verrà valutata l’effettiva capacità di colmare il difetto osseo e la resistenza del costrutto mediante test su macchina di prova.
Nella figura seguente è riportata la lista delle attività:
Le Unità Operative coinvolte sono state selezionate sulla base della duplice necessità di garantire sia le competenze richieste che il contributo dal punto di vista sperimentale (avendo già a disposizione le necessarie attrezzature). Per ciascuna di esse si descrivono brevemente le competenze ed il ruolo nel PdR.
UO1 – POLITECNICO DI BARI
I ricercatori di UO1 hanno maturato esperienza, documentata dalle pubblicazioni, nell’ambito della formatura delle lamiere con mezzi flessibili e nell’utilizzo di materiali e processi innovativi per la realizzazione di parti di forma complessa, soprattutto grazie alla partecipazione a progetti di ricerca a livello Nazionale e Regionale. Le attività sperimentali previste nell’ambito del PdR saranno svolte in laboratori nati o attrezzati grazie a finanziamenti MIUR (PON) o Regionali (Lab. di Avanced Forming& Manufacturing, Lab di Simulazione Fisica dei Processi Tecnologici).
UO1 definirà insieme alle altre UO materiale e protesi su cui concentrare lo studio, considerando sia aspetti di biocompatibilità della lega che di interesse medico verso la specifica applicazione. UO1 sarà poi coinvolta nella campagna sperimentale mirata alla caratterizzazione della lega di Ti scelta, conducendo: (i) prove di trazione nel range 100-950°C con il simulatore fisico Gleeble3150 (in condizioni a caldo con vuoto spinto); (ii) prove di espansione libera ed in stampo cilindrico chiuso per valutare deformazioni massime raggiungibili, velocità di deformazione e temperature ottimali per il processo SPF (tali prove verranno condotte sia con che senza una contropressione per valutare gli effetti ai fini della formazione dell’alpha case). UO1 collaborerà anche con UO2 nella definizione della formabilità del materiale mediante l’uso del sistema di misura ottico delle deformazioni Aramis. UO1 sarà infine coinvolta nella progettazione (con approccio FEM) e nella realizzazione della protesi tramite SPF nonché, insieme con UO2 ed UO3, nella valutazione delle caratteristiche geometriche, qualitative e microstrutturali dei simulacri.
UO2 – UNIVERSITA’ DELLA CALABRIA
Ingloba al suo interno ricercatori di 3 ambiti scientifici (S.S.D. ING-IND/16, ING-IND/34 e ING-IND/15). In ambito tecnologico, UO2 possiede una comprovata esperienza riguardante il processo di SPIF mediante l’impiego di macchine general purpose per la realizzazione di componenti tanto con materiali convenzionali quanto con leghe leggere, sia a freddo che a caldo e in un ampio range di velocità. UO2 si occuperà quindi della progettazione, messa a punto e verifica del processo per la realizzazione di protesi mediante SPIF. La componente bio-ingegneristico della UO2 curerà le verifiche numerico computazionali dei sistemi di ancoraggio di endoprotesi, nonché valuterà l’influenza della geometria sulla struttura ossea. I ricercatori del settore ING-IND/15 cureranno la progettazione CAD della geometria di protesi e stampo. Tali competenze, trasversali alle altre UO, saranno impiegate sia ad integrazione di UO3, per il completamento delle relative attività di progettazione e modellazione mediante l’impiego di strumenti CAX e FEM, sia in parallelo a UO1, per la messa a punto di una tecnologia flessibile e a ridotto time to market. Infine, d’intesa con le altre UO, UO2 sarà coinvolta nelle attività iniziali di scelta e definizione dei case study, nonché nell’analisi del limite di formabilità delle leghe investigate.
UO3 – POLITECNICO DI MILANO
Ha competenze, documentate in pubblicazioni, sui processi di ricostruzione di modelli virtuali di parti del sistema scheletrico a partire da immagini diagnostiche del paziente per il loro utilizzo in modelli agli elementi finiti o per ricostruzione di modelli fisici per la pianificazione chirurgica e sulla valutazione pre-clinica di dispositivi impiantabili, con tecniche sia numeriche che sperimentali. UO3 prevede di reperire modelli artificiali di cranio che verranno modificati per simulare difetti ossei a livello della teca cranica, delle ossa zigomatiche o delle ossa temporo-mandibolari. Tali modelli verranno sottoposti a TAC presso l’Istituto Ortopedico Galeazzi di Milano con il quale U03 ha una convenzione di ricerca attiva: le immagini così ottenute verranno elaborate con apposito software per ricostruire virtualmente le parti mancanti con tecnica di mirroring. In parallelo, UO3 si occuperà di far svolgere, presso laboratorio esterno, analisi di citotossicità su provini di materiale ottenuti con tecnologia SPF/SPIF al fine di valutare se i processi produttivi abbiano influenza sulla biocompatibilità della lega di Ti utilizzata. Il modello virtuale della protesi verrà passato a UO1 e UO2 per la costruzione del prototipo in Ti della protesi. Ricevuti da UO1 e UO2 i prototipi delle protesi, questi verranno montati da UO3 sui modelli di cranio per verificare la compatibilità morfologica; in seguito il complesso cranio-protesi verrà montato su macchina di prova modificata con un setup appositamente disegnato, per la verifica dell’affidabilità meccanica del costrutto.
Vista la natura multidisciplinare del PdR e la relativa necessità di mettere su una rete di competenze (i cui nodi sono rappresentati dalle tre UO), è stata effettuata già in questa fase di definizione del PdR un’attenta pianificazione sia delle interazioni previste sia delle relative modalità di realizzazione di tali interazioni. Ciò è stato ritenuto strategico per un project management efficace, in grado cioè di garantire il corretto e proficuo avanzamento delle attività previste.
Al fine di facilitare la condivisione dei risultati e definire in modo coordinato lo sviluppo delle attività, nel triennio di ricerca si prevede di organizzare dei web meeting in corrispondenza della conclusione di ciascuna attività: in questo modo, ogni attività o risultato intermedio raggiunto sarà facilmente trasferito e condiviso da tutti i partner ad intervalli di tempo inferiori della cadenza annuale. Per portare avanti il PdR proposto, articolato in attività che volutamente toccano e coinvolgono tutte le UO, è stata individuata una UO responsabile (Holder) per ciascuna attività, a cui sarà demandato il compito di coordinare lo scambio di informazione e di predisporre il relativo WM.
Si ritiene, infatti, che le attività di ricerca ed il progredire di esse siano basate sul confronto e sulla possibilità di interagire da parte delle UO, ciascuna delle quali è previsto attui sia attività individuali (sulla base delle specificità di ciascuna sede) sia ricerche in condivisione: all’interno del PdR, tutto quel che attiene la progettazione, la sperimentazione e l’analisi delle lavorazioni meccaniche di SPF e SPIF verrà coordinato da UO1 ed UO2; similmente, la simulazione fisica del trauma e la verifica finale sui simulacri ossei verranno interamente coordinate da UO3; allo stesso tempo, però, molteplici sono le attività che verranno condotte in sinergia tra le UO, quali: la scelta dei casi di studio e dei materiali, con la relativa caratterizzazione meccanica, tecnologica e metallurgica (1.2.1); la progettazione della protesi e dello stampo (2.0.1); la reale produzione di un simulacro (3.0.3); la verifica di tali componenti formati da un punto di vista sia tecnologico (3.0.4 e
3.0.5) che biomedico (3.0.6). Per facilitare lo scambio dei risultati, nonché per accrescere il background del personale coinvolto negli scambi, i periodi di mobilità sono quindi collocati temporalmente in corrispondenza delle citate attività di interazione tra le UO. Tali attività sono ritenute strategiche poichè da un lato determinano il raggiungimento di risultati importanti per l’avanzamento del PdR, dall’altro si basano su competenze specifiche la cui condivisione attraverso i momenti di scambio programmati permetterà di contribuire a raggiungere l’obiettivo di creare una base di conoscenza comune tra medicina e ingegneria.