Creazione di Modelli ad Elementi Finiti di mesh medicali: confronto dei comportamenti di membrane porose con diverse densità e morfologia = Creation of Finite Element Models of Medical Meshes: Comparison of the Behaviors of Porous Membranes with Different Densities and Morphology

L’ernia addominale è una patologia in crescente diffusione a livello mondiale. Si stima che questa condizione interessi circa il 5-6% della popolazione e che porti a ricoveri in regime di urgenza in circa il 50% dei casi in quanto spesso sottovalutata. Il trattamento chirurgico tradizionale dell’ernia consiste nel reinserimento del viscere nella sua sede anatomica e nella chiusura della lesione mediante suture. Negli ultimi decenni sono state introdotte alternative chirurgiche meno invasive per ridurre i tempi di recupero post-operatorio e migliorare il comfort dei pazienti quali la chirurgia laparoscopica e l’utilizzo di mesh chirurgiche. Le mesh chirurgiche sono membrane polimeriche che, coprendo la lesione, supportano la riparazione dell’ernia senza generare le tensioni tipiche della chirurgia tradizionale mediante suture. Lo studio delle caratteristiche fisico-chimiche e meccaniche delle mesh chirurgiche ricopre quindi fondamentale importanza per garantire il successo dell’impianto, e queste vengono valutate sperimentalmente. Con particolare riferimento alla caratterizzazione meccanica delle mesh chirurgiche, negli ultimi venticinque anni si è investito nello sviluppo di modelli computazionali in grado di sostituire la costosa (sia in termini economici che di tempo) sperimentazione in vitro. Tuttavia, un metodo modellistico che descriva in modo accurato, ed efficiente dal punto di vista computazionale, il comportamento di questi materiali complessi non è ancora stato consolidato. Il presente lavoro mira allo sviluppo di modelli agli elementi finiti (FEM) alla mesoscala in grado (1) di ricostruire realisticamente la trama di mesh chirurgiche light weight e standard weight a partire da una immagine bidimensonale, e (2) di restituire il comportamento meccanico delle stesse quando sottoposte a sollecitazioni di diversa natura. A tal fine, la geometria porosa delle mesh chirurgiche (due mesh light weight e una mesh standard weight) è stata ricostruita a partire da immagini ad alta risoluzione attraverso utilizzo di un software CAD. Successivamente, sono stati creati i modelli FE che riproducessero prove di trazione uniassiale i cui dati sperimentali erano disponibili grazie ad uno studio precedente. Mediante un processo di ottimizzazione Gradient-Based sono stati identificati i moduli elastici di materiali isotropi lineari tali per cui gli andamenti forza-spostamento derivanti dal modello numerico tendessero agli andamenti sperimentali. Lo studio ha mostrato una buona capacità dei modelli di riprodurre il comportamento macroscopico delle mesh chirurgiche riproducendo in maniera soddisfacente la deformazione locale della cella e, sebbene con alcune limitazioni, di replicarne il comportamento anisotropo nonostante l’impiego di modelli costitutivi isotropi. In generale, l’utilizzo di un modello costitutivo isotropico lineare elastico ha evidenziato il vantaggio di limitare i costi computazionali, con lo svantaggio di una limitata descrizione del comportamento non-lineare osservabile dalle prove sperimentali. Nonostante i limiti evidenziati, la futura introduzione di modelli costituitivi iperelastici potrebbe, partendo dai modelli qui proposti, garantire anche la restituzione della non-linearità di questi materiali riscontrata sperimentalmente.